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半導(dǎo)體熒光燈原理簡介

發(fā)布時間:2010-04-29

中心議題:
  • 白光LED發(fā)光原理
  • 半導(dǎo)體熒光燈原理
解決方案:
  • 散熱問題解決的好,半導(dǎo)體熒光燈使用壽命長許多
  • 可以頻繁開關(guān)啟動
  • 可以做到小功率白光高效率照明

追求高效節(jié)能,綠色環(huán)保和顯示性好的電光源是科技界持之以恒的目標(biāo)。從上個世紀(jì)60年代開始,LED以驚人的時代得到迅速發(fā)展,特別是進入21世紀(jì)以后,LED的發(fā)展取得了更加令人鼓舞的成就。LED在顯示屏、信號燈、液晶背光源以及取代其他小功率光源上,和其他電光源比上體現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性。但是,在目前白顏色大功率LED的發(fā)展上,混肴了普通LED和白顏色LED之間的基本屬性,錯誤的把普通LED的優(yōu)點轉(zhuǎn)移白顏色LED上,誤認(rèn)為白顏色LED的使用壽命、發(fā)光效率能夠和普通LED一樣,過高估計了它的光效,在電光源領(lǐng)域神化了其功能,似乎只要用了LED就是高科技,LED可以解決一起照明問題;使用LED的項目就能夠得到政府的支持,不使用LED的項目就不能夠得到政府的支持;忽略了白顏色LED是半導(dǎo)體熒光燈的基本實質(zhì)。下面我們簡單介紹目前白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)的發(fā)光機理。

圖1白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)的發(fā)光機理
  
從圖1可以看到白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)是由藍(lán)光PN結(jié)周圍的熒光粉發(fā)出的白光,通常熒光燈是由燈管內(nèi)的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光的,在發(fā)光原理上它們完全一致,如圖2所示,區(qū)別在于普通熒光燈的燈絲由藍(lán)光PN結(jié)取代。圖3(c)指示出它的工作原理。另外還有通過紫外線LED激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的半導(dǎo)體熒光燈,如圖3(b)所示。


圖2普通熒光燈的發(fā)光原理
  
LED和目前我們使用的白熾燈、氣體放電燈的發(fā)光原理迥然不同。LED的自發(fā)性發(fā)光是由于電子和空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的,這種半導(dǎo)體P-N結(jié)的電致發(fā)光機理決定了它發(fā)出的是單色光,而不可能產(chǎn)生具有連續(xù)譜線的白光,用單只LED也不可能產(chǎn)生兩種以上的高亮度單色光。如果需要LED產(chǎn)生白光,只可能先讓LED發(fā)出藍(lán)光,然后利用熒光粉間接產(chǎn)生寬帶光譜,合成白光。
 
將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為光能的過程是一種量子轉(zhuǎn)換過程遵守能量守衡定律。發(fā)光過程中的量子效率、量子提取率以及輻射光子的能譜決定了該過程的光效。白光光源運轉(zhuǎn)時所經(jīng)歷的量子轉(zhuǎn)換過程愈多、能量的損失愈大,光效必將降低。
  
LED發(fā)光時載流子復(fù)合過程的量子轉(zhuǎn)換效率雖然很高。但是必需利用熒光粉進行第二次量子轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)化為白光LED,因而量子效率和量子提取率大為降低,使白光LED光效提高受到限制。
  
各類熒光燈包括高頻無極熒光燈雖都屬低氣壓放電燈,高效率的利用汞的諧振輻射將電能轉(zhuǎn)化為輻射能量,但是由于這種諧振譜線處在紫外區(qū),必須利用熒光粉進行第二次量子轉(zhuǎn)換才能變成可見光,而第二次量子轉(zhuǎn)換效率只有46%、而熒光粉吸收又使量子提取率下降,所以連續(xù)二次的量子轉(zhuǎn)換過程使熒光燈的光效限制在90~100lm/W左右,按目前的結(jié)構(gòu)和材料其極限很難超過120lm/W。
  
還有一點值得注意的是常規(guī)光源的發(fā)光中心處于燈的中央,光輻射在4π立體角中均勻分布,與照射空間一致,量子提取率近于100%。LED是一種平面固體光源,只有外向(2π立體角或更小角度)的光子能夠出射,所以常規(guī)LED的50%的內(nèi)向輻射光子大部分消失在芯片內(nèi)部發(fā)熱,量子提取率很低;LED的輸出窗為多層不同的固體介質(zhì),粒子密度很大,光子在其中傳播時吸收系數(shù)較大,不同介質(zhì)層交界面處的反射亦使其量子提取率降低。當(dāng)前結(jié)構(gòu)的LED的這些特點是無法改變的,因此光效的提高受到了限制。[page]

不要幻想白光LED的光效能提高到140lm/W以上,除非是單色黃光LED或另一種全新結(jié)構(gòu)的LED,例如:如能開發(fā)一種三能級(紅綠藍(lán))型LED,這種LED的n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體中有三個以上不同施主能級或受主能級存在,當(dāng)載流子復(fù)合時直接產(chǎn)生適當(dāng)比例的紅、綠、藍(lán)三色光子因而直接發(fā)射白光。省去熒光粉的第二次量子轉(zhuǎn)換過程當(dāng)可使LED光效得到較大提高。但是LED單側(cè)發(fā)光的特點是無法改變的,限制光效大幅提高的這一因素只能設(shè)法降低,不能完全取消。
  
降低白光LED光譜中的藍(lán)光成分是十分必要的,雖然這將降低它的光效,過多的藍(lán)光易造成視覺疲勞且傷及視見膜。在這一點得到改進以前很難大規(guī)模進入家庭與緊湊型熒光燈競爭。
  
從任何一個角度分析目前這種結(jié)構(gòu)的白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)的最高光效決不可能超過140lm/W。據(jù)測試,當(dāng)前市售白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)的最大總光子轉(zhuǎn)換效率約在15~25%之間,光效約為45~80lm/W,穩(wěn)定工作時實際光效常常都在60lm/W以下。白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)的光效已經(jīng)達到160lm/W或200lm/W的報導(dǎo)是不可靠,或許他們的測試出了差錯,至于400lm/W的預(yù)言對于白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)是荒唐的、即使對中心發(fā)射波長為555的黃光LED也失之過高。
  
未來真正的白光LED應(yīng)該是將紅、綠、藍(lán)或者更多顏色LED芯片封裝在一起,產(chǎn)生白顏色光的白光LED,它將省去熒光粉的二次發(fā)光的轉(zhuǎn)換過程,光效提高15%以上,效率可以達到150-160Lm/W,同時減少了有害的藍(lán)光;光衰和芯片發(fā)熱問題得到改善,這種真正的白光LED目前還有許多技術(shù)瓶頸,解決這些技術(shù)難題還需要比較長的時間。圖3(a)指示的是這種方法。


由于半導(dǎo)體熒光燈的發(fā)光機理是熒光粉發(fā)光,所以它的發(fā)光效率和光衰等特性受到熒光粉的制約,其結(jié)果必定和熒光燈差不多。圖4是半導(dǎo)體熒光燈和普通熒光燈光衰比較圖表,可以看出半導(dǎo)體熒光燈和普通熒光燈沒有太多區(qū)別。圖5是不同顏色LED和半導(dǎo)體熒光燈光衰比較,從而可以看出半導(dǎo)體熒光燈已經(jīng)不具有LED的許多優(yōu)點了。

4半導(dǎo)體熒光燈和普通熒光燈光衰比較



圖5不同顏色LED和半導(dǎo)體熒光燈光衰比較
  
普通熒光燈的燈絲由藍(lán)光PN結(jié)取代以后的半導(dǎo)體熒光燈有許多普通熒光燈所沒有的優(yōu)點:

  1:如果散熱問題解決的好,半導(dǎo)體熒光燈由于沒有燈絲,要比普通熒光燈使用壽命長許多。
  2:可以頻繁開關(guān)啟動。
  3:可以做到小功率白光高效率照明。(普通電光源小功率時效率不高)

注意點:
  1:目前我們使用的白色LED的實質(zhì)是半導(dǎo)體熒光燈,它的基本特性和普通熒光燈一致,它的性能指標(biāo)遠(yuǎn)比我們的期望值要差許多,不可以將其神化,半導(dǎo)體熒光燈,應(yīng)該走下神壇。
  2:LED和半導(dǎo)體熒光燈在概念上的混肴已經(jīng)給我國的照明產(chǎn)業(yè)造成了巨大的損失,這種現(xiàn)象不能再繼續(xù)下去了。
  3:真正白色LED還有漫長的路要走,切勿浮躁。
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