半導體照明光源的基本原理
當今最為熱門的是InGaN、AlGaN、GaN 等Ⅲ族氮化物發(fā)光二極管的應用研究，該類管發(fā)射出的藍綠光、藍光、紫外光既可與紅光、綠光發(fā)光二極管合成為白光，也可直接用來激發(fā)熒光粉發(fā)射出白光。因此，氮化物發(fā)光二極管是白光光源的首選。它們將會取代白熾燈、熒光燈等光源而成為未來白光照明的主流。因而氮化物發(fā)光二極管已成為半導體光電子器件中的一代新產(chǎn)品，必將在未來的節(jié)能照明中發(fā)揮不可替代的重要作用。與此同時，LED 器件的發(fā)光效率以每10 年約增長10 倍的速度不斷提高。尤其是20 世紀90 年代初出現(xiàn)的GaN藍綠光LED，發(fā)展尤為迅速，10 年間發(fā)光效率增長了100 倍。也正是由于GaN 基藍綠光LED 器件的出現(xiàn)，彌補了LED 器件在短波長方面的缺憾，不僅實現(xiàn)了LED 全彩顯示，而且也使LED 白光照明成為可能。隨著材料生長及制作技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED 器件也從早期的指示型（典型注入電流20 mA）發(fā)展到功率型（目前典型注入電流350 mA），應用領(lǐng)域也從狀態(tài)表征擴展到夜景裝飾、交通信號指示、汽車照明、大屏幕全彩顯示等。而以GaN 基功率型藍光LED 為核心的半導體照明光源，被認為是繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源，成為國內(nèi)外光電子領(lǐng)域的研究熱點。與傳統(tǒng)光源相比，全固態(tài)工作的半導體照明光源原理上具有發(fā)光效率高、壽命長、體積小、響應速度快、耐振抗沖擊、綠色環(huán)保、使用安全等潛在優(yōu)勢，有廣泛的應用前景。
半導體發(fā)光二極管是半導體照明的核心，其發(fā)光原理如圖1 所示，在p-n 結(jié)正向偏置條件下，通過注入到器件有源區(qū)的電子空穴對自發(fā)輻射復合，將電能轉(zhuǎn)化為光能。從20 世紀50 年代發(fā)展至今，LED 的發(fā)光波長從紅外擴展到了可見光、紫外波段。LED 器件的發(fā)光波長由材料的帶隙能量決定，氮化鎵基LED 材料屬于直接帶隙半導體材料，包括氮化鋁（AIN）、氮化銦（InN）、氮化鎵（GaN）及其合金，帶隙能量涵蓋了可見光、紫外和深紫外波段。
圖1 LED 工作原理示意圖
實現(xiàn)半導體照明有3 種途徑：
1）基于三基色原理，利用紅、綠、藍三基色LED 合成白光，如圖2（a）所示；
2）利用紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉，由熒光粉發(fā)出的光合成白光，如圖2（b）所示；
3）采用藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉，實現(xiàn)二元混色白光，如圖2（c）所示。
圖2 實現(xiàn)白光固態(tài)照明的3 種方式
（a）三基色LED 合成白光；（b）紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉實現(xiàn)白光；（c）藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉實現(xiàn)二元混合白光（資料來源lumieds）
利用三基色LED 混合白光，不僅可實現(xiàn)理想的白光光譜，而且光源顏色可調(diào)，但對三基色LED 的性能要求嚴格，其驅(qū)動電路等外圍系統(tǒng)也相應復雜，因此，其性價比偏高，但適用于對顏色要求較高的場合。利用紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉實現(xiàn)白光的技術(shù)，目前尚缺乏大功率紫外LED 以及高效率、高可靠性的紫外熒光粉，因此尚不具備實用性。而利用藍光LED 激發(fā)熒光粉的方案，具有成熟的熒光粉和高效、高可靠性的藍光光源，盡管顯色指數(shù)上略顯不足，但該方案具有最高的流明效率，是目前普遍采用的技術(shù)。以下討論中如不作特殊說明，半導體照明指的都是以藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉的技術(shù)途徑。
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