浅谈LED灯

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摘 要：发光二极管，简称LED灯，被我们称之为21世纪的新一代绿色照明光源，因具有环保无污染（无汞）、体积小（多颗、多种组合）、低能耗（低工作电压、低启动电流）、反应快、使用寿命长等优点而备受关注。自我国在2003年启动半导体照明工程计划以来，经过十几年的发展， LED灯已经市场化，高效率LED灯的开发与研究越来越受到各研究人员重视，他们对LED 灯的发光进行了前仆后继的探索，下面我们简单剖析一下LED灯。
关键词：LED灯；新能源
我们通常将具备有独特光学性能的材料称之为发光材料[1-3]。发光材料应用十分广泛，如军事设备、汽车尾灯、显示器背景灯、LED显示屏、荧光灯具、生物荧光探针、紧急照明等，对我们日常生活特别是照明方面发挥着极其重要的作用。
LED灯被我们称之为21世纪的新一代绿色照明光源，因具有环保无污染（无汞）、体积小（多颗、多种组合）、低能耗（低工作电压、低启动电流）、反应快、使用寿命长等优点而备受关注。发展高科技能源、绿色能源是我们国家一直所倡导的，LED灯的使用寿命可以长达到6万甚至10万小时，是我们传统的照明光源（白炽灯和荧光灯）的10倍甚至20倍以上；LED灯的光电转换效率几乎接近100%，而传统的照明光源大多数在10%到20%之间，这样子的LED灯可以节省近达80%的能量。所以，我国大力倡导发展LED产业，为此自2003年6月份以来，我国启动半导体照明工程计划，一直到2004的7月，我国科技部首批关于半导体照明工程就有50個项目。经过十来年的发展，我国的LED灯基本达到产业化、专业化，在深圳、大连、南昌等各个地方都有LED产业基地。
为什么LED具有如此优越的性能呢？我们要从其结构和发光原理上面去探讨解释这个问题。LED是以半导体为基础发展起来的，它的发光光源仅是一层非常薄的半导体材料，以Al-Ga-In-N二极管为例子，半导体它的基本结构包括Al-Ga-In-N半导体、p型GaN半导体（带正电荷，称之为空穴）和n型GaN半导体（带负电荷，称之为电子）。Al-Ga-In-N半导体夹在p型GaN半导体和n型GaN半导体之间，我们称其为量子阱，通常我们也会把p型GaN半导体与n型GaN半导体的结界处它称之为p-n结，而p-n结有一个非常明显的特征就是有带隙（Eg），相当于吸收体系通过吸收一定能量的光子，使其电子由基态激发跃迁到激发态，所需要吸收的能量称为带隙。当p-n结连接电源的时候，电流能从p处流向n处，所产生的电子会跑向GaN的n处量子阱，所产生的空穴会跑向p处量子阱，然后，两处的量子阱会停留在不同的能级，正好被带隙分开。随后，当电子跟空穴再一次重合的时候，会释放出与带隙等能量的光子，从而形成发光，所以，可以根据不同的二极管的原材料来调控不同的波长和发光颜色，如红色LED灯采用的是AlGaAs，蓝色的采用InGaN，绿色的采用AlGaP。半导体所发的光是红光、蓝光、绿光，但现实生活中我们需要的是白光，如何实现两者之间的转换，这也涉及到了两种技术路线：（1）三基色发光， 即为直接利用三种半导体所发出的红光，蓝光，绿光的LED芯片组成生成白光。使用这种技术路线发出来的白光，具有显色性好、发光效率比较高、色温可控等优点。但同时也存在有不可避免的缺点，如色温稳定性不高、成本高。（2）使用荧光粉覆盖技术手段。即利用发蓝光InGaN作为LED的发光二极管，表面覆盖荧光粉形成发出光合成白光。这里的荧光粉一般用现在市场化的黄色荧光粉YAG：Ce3+。这种合成方法显色性好，制备简单等优点，但也同样存在色温不稳定的缺点。由于这种方法技术所得的LED灯，发光效果好，而且成本不高，被作为普遍采用的技术手段。
荧光粉的发展已经有长达100年的历史[4-5]，现在，我们几乎可以随时随地看到它，如我们用的荧光灯，差不多天天面对的电脑，手机，电视等。我们现在所看到的灯光还有五颜六色的颜色都是由荧光粉转化而成的，阴极射线管（CRT），x射线荧光粉，这些荧光粉很早就开发出来了，他们各方面性能研究已经长达40年。另一方面，我们知道LED灯是新的一代绿色照明光源。权衡白光LED制作工艺、生产技术、生产成本以及其照明效果等因素，LED被一致认为是一种短期内有望能快速实现产业化的节能环保新型固体光源。白光LED的发展与推广，大大丰富了发光材料的家族历史，从而促进更多高性能的发光材料的研究。LED灯发光原理表明，LED灯芯片必须与适当的荧光粉进行配置才能发出白光，所以，开发高性能光转换荧光体也成为了众多研究者的研究重点，LED用荧光粉是LED灯的关键因素，如荧光粉的发光效率、显色指数、色温、以及使用寿命都会直接影响LED的性能。LED用荧光粉与我们常见类型一些荧光粉在激发波长上面有比较大的区别，他们的激发光源一般是紫外光（350–410 nm）、蓝光（440–470 nm）、254 nm、电子束、X射线等范围，而一般的荧光粉激发波长可以覆盖整个可见光。现在市场商业化LED用荧光体是发黄光的YAG：Ce3+（（Y1-aGda）3（Al1-bGab）5O12：Ce3+）体系石榴石。虽然YAG：Ce3+荧光粉的开发大大降低了LED灯的生产成本、制备流程简单，但这种荧光粉也存在有一些缺点，如发光效率不高、发光不均、显色指数低、缺乏红色光。因此，一方面在加紧开发提高黄色荧光粉YAG：Ce3+的发光性能及调试增加其发射光谱的红光成分；另一方面努力寻找高性能的其他荧光粉来取代黄色荧光粉YAG：Ce3+，来克服YAG：Ce3+所存在的缺点。如现阶段硅酸盐（Sr，Ba）SiO4：Eu2+、Ca3Sc2Si3O12：Ce3+、Li2SrSiO4：Ce3+，硅基氮（氧）化物荧光粉M2Si5N8：Eu2+、MSi2O2N2：Eu2+、CaAlSiN3：Eu2+，α-sialon、β-sialon等新型的LED用荧光粉被陆续地研发出来，特别是近几年来硅基氮（氧）化物更是有望能替代黄粉YAG：Ce3+形成市场化的LED用荧光粉。
我国也一直倡导发展新能源，LED灯是新绿色的照明光源，是新型的固体能源，能够大大减小我们的电力能源的消耗，为我国的低碳环保做出巨大的贡献。它在我们现实生活中起着极其重要的作用，我们的液晶显示屏（LCDs）的背光源、汽车LED头灯、街道照明、太阳能电池、医用照明领域都有它的应用。LED灯的关键技术在于LED灯用荧光粉，它能决定LED灯的使用寿命、发光效率，显色指数等，为了研究性能更好的LED灯用荧光粉研究者进行了前赴后继的努力，期待我们的LED灯市场会越来越好。
参考文献
[1] 余全茂，无机发光材料研究及应用进展 [M].合肥：中国科学技术大学出版社，2010.
[2] 孙家越，杜海燕.固体发光材料 [M].北京：化学工业出版社，2005.
[3] 张中太，张俊英.无机光致发光材料及应用 [M].北京：化学工业出版社，2005.
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[5] 肖治国，罗昔贤.蓄光型发光材料及其制品（第二版）[M].北京化学工业出版社，2005.