一、LED的發(fā)展
　　在市場需求與技巧提高的推動之下，LED經歷了一段光輝的歷史。第一批產品呈現于1968年，Monsanto公司將其作為唆使燈泡，Hewlett-Packard公司則首次用于電子顯示設備。早期產品是GaAsPLED,性能相當差，工作電流20mA光能量只有千分之幾流明。相應的發(fā)光效率為0.1lm/w。而且只有一種光色——650nm的紅色光。七十年代上半期技巧提高很快，發(fā)光效率達到1lm/w。色彩也擴大到紅色、綠色和黃色。八十年代GaALASLED的紅光效率提高到10lm/w。
　　20世紀90年代初期，惠普公司光電部、Lumi-LedsLighting公司和松下公司的工程師們就已經把握了如何用金屬有機化學汽相沉積法在GaAs襯底上外延生長AllnGaP的工藝，AllnGaP材料在可見光譜區(qū)產生紅光和橙光。合金有序化、受主原子的氫鈍化、p-n結排列，以及把氧摻進含鋁器件層都是相收復雜的，這些標題耗費了近10年時間才得以解決。終極實現了內量子效率接近100%的AIInGaP發(fā)光二極管。幾乎每個注進到器件中的電子空***對都產生一個光子，因此如何使在半導體發(fā)光二極管內形成的光子達到二極管外就成了一種挑釁。首先是如何防止光被窄帶隙（0.87nm）GaAs襯低接收。研究職員曾經嘗試過在布喇格反射鏡的外延結構中摻雜并在GaP襯底上直接生長的技巧。但是最成功的還是通過蝕刻法強力除往GaAs襯底，采用芯片接正當代替GaP的技巧。采用該技巧研制的發(fā)光器婉轉的發(fā)光效率為25lm/W，幾乎是帶紅色濾光的燈泡發(fā)光效率的10倍。每支發(fā)光二極管的光通量為幾個lm，由它們組成的發(fā)光二極管陣列首先被制成了汽車上的停車燈、紅色交通信號燈以及單色室外信號標記。然而光通量為3lm時，發(fā)光二極管的慶用仍很有限。
繼AIInGaP的發(fā)展后，Nichia化學公司（日本德島）和名古屋大學（日本名古屋市）的研究職員把握了應用金屬　　有機化學汽相沉積技巧在藍寶石襯底上外延生長AIInGaN的復雜工藝。AIInGaN材料的帶隙比AIInGaP的寬，可以籠罩高能量的藍光和綠光波段。合金有序化、受主原子的氫鈍化、p-n結排列，以及把氧摻進含鋁器件層再次成為相當復雜的標題。AIInGaN材料系并不像AIInGaP材料系那樣為人們所熟悉。AIInGaN綠光元件在尺度的工作電流下內量子效率停留在40%～50%，而藍光器件的內量子效率為60%～80%。通過利用透明的藍寶石襯底，以及人眼對綠光比對藍光或紅光更敏感的特點，人們已經制作出幾個流明的綠光LED。這種LED和紅光AIInGaP發(fā)光二極管、近流明級的藍光LED組合起來，就可完整由固體光源制作大型全色信號標記。藍光AIInGaN發(fā)光二極管產生的光子和熒光粉的發(fā)光將一部分藍光光子轉變?yōu)槠浠パa色--黃色。人眼看到這種藍光和黃光的混雜是一種不鮮明的白色。
　　LumiledsLighting公司在PhilipsLighting（新澤西州Somerset）公司的技巧領導下生產了一系列大功率LED，顯示了照明業(yè)的潛力。在12W輸進功率下，Lumileds公司生產的Luxeon型器件工作的功率電平比傳統(tǒng)的5mm唆使燈LED高20倍，發(fā)光效率高出50%，壽命可達幾萬小時。目前市場上出售的器件不僅有紅光和橙光AIInGaPLED，而且還有綠光、藍光和白光AIInGaNLED。封裝的熱敏電阻由唆使燈LED的300Ω/W降到15Ω/W以下。熱敏感電阻的下降使工程技巧職員將20倍能量泵浦到器件中，獲得輸出為55lm紅光、30lm綠光、10lm藍光或熒光粉轉換藍光器件用的25lm的白光。焉代產品將是給出110lm白光的5W封裝的單管，這種光輸出和15W白熾燈的光輸出相當，而封裝體積僅相當于白熾燈的1%，功耗僅為1/3。12個110lm的器件足以制成一只用于汽車用的前燈。這種前燈并非傳統(tǒng)的6V汽車前燈，而是冷光藍色高強度等效放電的超亮度前燈。每只單色綠光5WLED的光通量超過130lm。兩只這樣的光源即可以調換傳統(tǒng)的8in～12in150W交通信號燈，可節(jié)儉90%的能源。由紅光、綠光、藍光組合的這些光源的發(fā)光效率可與注解晶顯示屏電視機和監(jiān)督器的背照明利用的冷陰極熒光燈相比，而且具有體積小和窄譜帶光色的特點。隨著發(fā)光二極管技巧的持續(xù)發(fā)展。固體照明無疑將利用于更廣泛的范疇，并將持續(xù)對傳統(tǒng)的照明光源提出挑釁。
　　發(fā)光二極管有很多長處，其壽命可達幾萬小時，固然不是很精巧但是對環(huán)境有益。其體積小，答利用幫助光學器件機動地把持光束。實際利用的照明設備，如照亮寫字臺、屏幕或房間的光源不僅請求高發(fā)光效率和長的應用壽命，還要具有很高的光通量和合調換價格。一只60W的白熾燈光發(fā)出900lm的白光，是典范的熒光粉轉換白光（唆使燈）發(fā)光二極管（PCLED）光能量的300倍。每流明的本錢只是其一部分，關鍵是設計并裝配出能在比正常輸進功率高出1～2個量級的功率下工作的發(fā)光二極管器件，并且使這些LED與傳統(tǒng)的唆使燈LED具有同樣高的效率及穩(wěn)固性。
　　二、LED發(fā)光的原理
　　發(fā)光二極管是一種將電流順向通到半導體p-n結處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質結和量子阱結構。1962年GE（GeneralElectric）公司用GaAsP首次將紅色LED商品化。最初的紅色LED的光通量為0.1lm/W，約是普通燈光的1/150，其發(fā)光效率大約每10年提高一個數目級。最近，藍色、綠色LED已實用化，其發(fā)光強度超過AlGaAs類紅色LED。這種LED采用氮化物半導體（InGaN混晶）作活性（發(fā)光）層的量子阱結構，其發(fā)光強度超過10cd，量子效率超過20%。此外，還開發(fā)了外部量子效率超過50%的AIInGaP紅色LED（630nm）和琥珀--LED（595nm）。InGaN綠色、藍色LED的量子效率也接近上述值。
　　坎德拉（cd）是發(fā)光強度的單位，用以表現可見光LED發(fā)光強度的指標。發(fā)光強度I可用光通量Φ和立體角Ω表現。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km為在波長555nm范疇內的最大可見度（683nm），綠色對人眼是最亮的。V（λ）是在波長為λ時的相對可見度[V(555nm)=1],Pλ為光譜輻射通量。
　　白色LED是一種由InGaN藍色LED和熒光體組成的新型LED。在藍色LED芯片上涂敷熒光體，最后用環(huán)氧樹脂將芯片四周到封。兩種方法（單芯片型和多芯片型）可得到色調后果好（Ra85）的白光。一是同時點亮紅色、綠色、藍色（R.G.B）或藍綠色和黃橙色2、3種LED；二是用輻射藍色或紫外LED作鼓勵光源鼓勵熒光體的方法。第一種方法不僅在LED的驅動電壓或發(fā)光輸出上有缺點，而且在溫度特征或器件壽命上也存在標題，因此距實用化還有一段間隔。第二種方法則用一個器件即可，驅動電路，易于設計。有兩種鼓勵方法：即（1）用藍色LED鼓勵發(fā)黃光的熒光體。（2）用紫外LED鼓勵R.G.B熒光體。鼓勵熒光體的白色LED照明光源因熒光體組拿來不同可發(fā)射白光以外的各種色彩的光，因而可廣泛利用于照明。如前所述，每一個LED的光通量（lm）很弱，要作為照明光源必需配置多個LED。而開發(fā)LED照明用光源，則必需對包含多個LED集成器件光散布在內的裝置系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，經外，研究職員還必需參加半導體發(fā)光器件和照明光源的開發(fā)及技巧交換。預計今后將有各種型號的白色LED問世。然而，現在單芯片型InGaN藍色LED和YAG熒光體組成的白色LED僅外于產品化階段。美國LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用藍綠色LED和琥珀色LED開發(fā)多芯片型LED光源的研究，但難以實現一樣的混色，故很難達到實用化。用R.G.B三基色LED開發(fā)了白色LED，現實驗室程度的發(fā)光效率已超過40lm/W，近幾年內可看超過100lm/W。
　　作為熒光體鼓勵光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%其溫柔色調優(yōu)良。受YAG熒光體壽命影響的白色LED的壽命已超過數萬小時。用具有上述優(yōu)良特征的炮彈型LED在玻璃狀環(huán)氧基板上以大約7mm間隔串聯(lián)41個LED，并將17列并聯(lián)，一共用697個。白色LED裝置應用商用電源AC100V，60Hz及全波整流后的穩(wěn)壓電源（電容輸進型整流電流）。為減少LED器件的耗電量，整流后電源的波形變動量大峰值電壓為143V，最小電壓為126V。在此狀態(tài)下，各LED上施加電壓最大約為3.49V，最小約為3.07V時，電流值最大約為17mA，最小為3mA，耗電約為20W。圖1為用41個LED組成的照明用具。圖2表現了AC100V，120Hz驅動時的發(fā)光光譜，該光譜與直流順向發(fā)光光譜特征相一致。用燈座插進方法，距發(fā)光面30cm處的光照度約為1200lx，耗電約為1W。無論哪種光源都無需裝配冷卻裝置?！?br />圖1用41個LED組成的照明用具
　

圖2交換照明時白色LED光源與白燈發(fā)光光譜


　　三、LED的發(fā)展猜測
　　在1999年的文章中我們曾勇敢猜測白色LED的發(fā)光效率2002年達到30lm/W，2005年40lm/W，2010年50lm/W。2000年10月的研究會上業(yè)內人士的共識是2002年30lm/W，2005年50lm/W，2010年100lm/W。該文著者認為上述前兩個指標是可能的，而在當前工藝技巧范疇內2010年達到100lm/W怕是相當艱苦的。
200lm/W以上的更高指標需要更新我們的觀念：持續(xù)增加能走多遠？是否需要等候新的技巧性的突破？答案可能是多種多樣的，仁者見仁，智者見智。樂觀主義者信任只要保持走下往目標總可以達到。而悲觀論者認為就我們今天所談的LED，發(fā)光效率最高也就是50～90lm/W。要達到我們的目標必需從以下兩方面努力：
　?。?）精益求精工藝，擴大銷售而與白熾燈和鹵鎢燈競爭；
　　（2）同時開發(fā)新材料，改良產品結構。
　　一些人認為要達到發(fā)光效率200lm/W必需經過革命性變更，應當來一次光源工藝的革命。當今發(fā)光效率最高的光源是鐳射；傳統(tǒng)的鐳射和新型垂直空腔表面輻射鐳射（VCSEL）。二者的對外量子效率為65%～70%，在波長800～1000nm范疇的轉換效率達到55%以上。假如我們能夠把波長范疇擴大到可見光，我們就可以設計出一種新光源，它在470～620nm的范疇中發(fā)出30nm寬的6種色彩光。這種燈光具有如下特別性能：
　　◆色彩范疇:可以籠罩色度坐標圖的80%～90%，優(yōu)于NTSC電視尺度，顯色性接近于白熾燈。
　　◆調光性能:可以采用數碼把持電路調節(jié)色彩和光強，調節(jié)時發(fā)光效率不下降。
　　◆光散布:鐳射光便于校準為平行光，其有效光散布優(yōu)于各向同性的LED。
　　減少光散布喪失是LED的一大上風。在早期街燈設計方面，Lumileds和phips照明于1995年展現的雛型中LED燈炮可以滿足相應低壓鈉燈半光通量的光散布規(guī)范。
　　LED的晶片很上，是一種點狀冷光源，而且其多次反射或折射的光學表面使LED晶片可以彼此緊密地靠近在一起，因此浪費的光很少，同時大大地打消了雜散光（光污染）。鐳射光源可以進一步簡化分配設計，進一步下降能源耗費。