1.2　白光LED的基本原理和结构

1.2.1　LED的基本原理

LED顾名思义，是一种具有二极管电子特性的能发光的半导体组件。发光二极管的基本结构如图1-1所示。

发光二极管是结构型发光器件，其核心部分为LED的芯片。商品发光二极管一般用环氧树脂封帽外壳，芯片的直径一般为200～350 µm，主要结构是p-n结结构，包含n型层和p型层，并在p面和n面上分别制作电极。n型层和p型层分别提供发光所需的电子和空穴，它们在发光层复合发光。发光层一般选取比p型层和n型层禁带宽度更窄的材料，这样p型层和n型层就能起到势垒作用，将更多的电子和空穴限制在发光层，增加复合发光的概率。同时，由于n型层和p型层的禁带宽度越大，发光层所发出的光越容易通过，能减少对所发出光的吸收。为了提高LED的发光效率，人们设计了不同的发光层结构，如单量子阱、多量子阱、异质结构等，以增加复合发光的效率。

图1-2（a）表示在热平衡状态下p-n结的能带图。其中V表示价带，E_F表示费米能级，D表示施主能级，A表示受主能级，E_g表示禁带宽度。在n区导带上，实心点表示自由电子。在p区价带上，空心点表示自由空穴。在n区导带底附近有浅施主能级D，由于施主电离，向导带提供大量的空穴。因此，在n区中多数载流子是电子。同样，在p区，浅受主能级A电离，向导带提供大量空穴。p区的多数载流子是空穴。在热平衡时，n区和p区的费米能级是一致的。图1-2（b）表示在p-n结上加正向电压（即电池的负极接到n区，正极连接到p区）时，p-n结势垒降低，结果出现了n区的电子注入到p区，p区的空穴注入到n区的非平衡状态。被注入的电子和空穴成为非平衡载流子（又称少数载流子）。在p-n结附近，当非平衡载流子和多数载流子复合时，便把多余的能量以光的形式释放出来，这就可观察到p-n结发光。这种发光也称为注入发光。此外，一些电子被俘获到无辐射复合中心，能量以热能形式散发，这个过程被称为无辐射过程。为提高发光效率，应尽量减少与无辐射中心有关的缺陷和杂质浓度，减少无辐射过程。实际情况下，不同材料制备的发光二极管的芯片结构有所不同，发光情况也各异，而基本原理相似^［12-16］。

半导体依据所选用的材料不同，电子和空穴所占据的能级也不同，则复合所产生的光子能量不同，也就可获得不同的光谱和颜色。因此，欲决定LED所发出光的颜色，可通过选择具有特定结构的材料来实现。

1.2.2　白光LED的制作方案

目前实现白光LED的制作方案有很多种，但总体上主要有如下三条途径^［17-26］。

（1）红、绿、蓝三色LED

该方案是将红色LED、绿色LED和蓝色LED芯片或发光管组成一个像素（pixel）实现白光。从目前报道的最佳数据来看，各种颜色LED的发光效率分别为：蓝光LED为30 lm/W；绿光LED为43 lm/W；红光LED为100 lm/W，组成白光后的平均效率大于80 lm/W，而显色性可达90以上。此种白光LED的最大优势是，只要配合适当的控制器个别操控各色LED，很容易让使用者随意调整出所需要的颜色，这是其他光源无法做到的。

因红、绿、蓝三色LED组合的色纯度很高，逐渐受到大型LCD、TV背光源需求的重视，各国相继开发基于LED的背光源，此背光源拥有CCFL无法达到的优异性能和新功能。预计其随LCD、TV进入家庭的潜力极大。

此种组合方式的缺点是生产成本较高，由于三种颜色的LED量子效率不同，而且随着温度和驱动电流的变化不一致，随时间的衰减速度也各不相同，红、绿、蓝LED 的衰减速率依次上升。因此，为了保持颜色的稳定，需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿，导致电路复杂，而且会造成效率损失。

（2）蓝光LED +能被蓝光LED有效激发的黄色荧光粉

该方案的白光LED是由蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的发黄光的荧光粉组合而成的，其中蓝光LED的一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光，而剩余的蓝光与黄光混合，调控它们的强度比，即可得到各种室温的白光。

图1-3给出了白光LED的结构示意图。InGaN LED基片安装在导线上的杯形座中，荧光粉YAG：Ce涂在基片上，荧光粉层约为100 µm厚，白光是由LED基片发出的蓝光和荧光粉发出的黄色荧光混合而成的，用环氧树脂将LED基片和荧光粉封装成光学透镜的形状。从LED基片发出的蓝光在荧光粉层中多次反射并被荧光粉部分吸收，荧光粉被蓝光激发并发出黄色荧光。白光是由上述蓝光和黄光混合而成的，根据颜色的相加原理，这种混合光给人眼的感觉为白光，并通过环氧树脂封装，透镜聚焦，均匀发射。

此种组合方式是目前最常用的白光LED的制作方式，大部分白光LED都以此种方式制成，其优点是制作简单，在所有白光LED的组合方式中成本较低而效率较高。目前，实验室的白光LED的光效已突破100 lm/W，与日光灯的发光效率属同一水准，而一般白光LED商品的发光效率在30～50 lm/W，为传统灯泡的2～3倍。这种白光LED的效率指标同时受蓝光LED和荧光粉两者性能的影响。

（3）紫外LED+能被紫外LED有效激发的荧光粉

该技术方案的白光LED是由紫外LED（简称UVLED）与多种可被UVLED有效激发的荧光粉组合而成。其原理是采用高亮度的紫外LED泵浦红、绿、蓝三色荧光粉，产生红、绿、蓝三基色，通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光。

由于紫外线光子的能量较蓝光高，可激发的荧光粉选择性增加，绝大多数荧光粉的效率随激发光源波长的缩短而增加，尤其是红色荧光粉。这种封装方式和蓝光LED与黄色荧光粉的组合完全相同，成本相同，但因为所有白光都来自于荧光粉本身，紫外光本身未参与混光，因此颜色的控制较蓝光LED容易得多，色彩均匀度极佳，显色性根据所混合的荧光粉数量和种类而定，通常控制在90左右。

目前此种组合的白光LED最大的问题在于效率相对偏低，主要原因在于所使用的紫外LED效率偏低。许多研究结果表明，GaN基LED的效率随波长变化而变化，在400nm时效率达到最大值，低于400nm后急剧下降；此外，激发和发射的两个光子的能量差为自然能量损失，由于紫外光转换为红光时，其能量损失比从蓝光转换高10%～20%，这也会影响整体效率。目前这种白光LED商品比较少，所使用的近紫外LED在380～400nm左右，其最终效率只有第二种方案组成的白光LED的一半。

由以上知，由蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的发黄光的荧光粉组合的白光LED的途径是常用的，可以通过掺杂稀土离子来改善荧光粉的发光性能。另外，为了提高发光效率以及显色指数，LED的发射波长向短波方向移动是目前发展的趋势，因此可被UVLED和n-UVLED有效激发的荧光粉引起了人们的广泛兴趣。作为化学工作者，我们的目标就是在荧光粉方面有所突破，研究工作将从两个方面展开，一方面是改善现有荧光粉，另一方面是制备出性能更加优异的新型荧光粉。