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族氮化物發光二極管的應用研究，該類管發射出的藍綠光、藍光、紫外光既可與紅光、綠光發光二極管合成為白光，也可直接用來激發熒光粉發射出白光。因此，氮化物發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。因而氮化物發光二極管已成為半導體光電子器件中的一代新產品，必將在未來的節能照明中發揮不可替代的重要作用。與此同時，LED 器件的發光效率以每10 年約增長10 倍的速度不斷提高。尤其是20 世紀90 年代初出現的GaN藍綠光LED，發展尤為迅速，10 年間發光效率增長了100 倍。也正是由于GaN 基藍綠光LED 器件的出現，彌補了LED 器件在短波長方面的缺憾，不僅實現了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的迅猛發展，LED 器件也從早期的指示型（典型注入電流20 mA）發展到功率型（目前典型注入電流350 mA），應用領域也從狀態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，成為國內外光電子領域的研究熱點。與傳統光源相比，全固態工作的半導體照明光源原理上具有發光效率高、壽命長、體積小、響應速度快、耐振抗沖擊、綠色環保、使用安全等潛在優勢，有廣泛的應用前景。
半導體發光二極管是半導體照明的核心，其發光原理如圖1 所示，在p-n 結正向偏置條件下，通過注入到器件有源區的電子空穴對自發輻射復合，將電能轉化為光能。從20 世紀50 年代發展至今，LED 的發光波長從紅外擴展到了可見光、紫外波段。LED 器件的發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 激發三基色熒光粉，由熒光粉發出的光合成白光，如圖2（b）所示；
3）采用藍光LED 激發黃光熒光粉，實現二元混色白光，如圖2（c）所示。
圖2 實現白光固態照明的3 種方式
（a）三基色LED 合成白光；（b）紫外LED 激發三基色熒光粉實現白光；（c）藍光LED 激發黃光熒光粉實現二元混合白光（資料來源lumieds）
利用三基色LED 混合白光，不僅可實現理想的白光光譜，而且光源顏色可調，但對三基色LED 的性能要求嚴格，其驅動電路等外圍系統也相應復雜，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 激發三基色熒光粉實現白光的技術，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。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 激發黃光熒光粉的技術途徑。
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