固体光源在实际应用中的局限

小泽隆二 田亚葵

(北京天洋浦泰投资咨询有限公司，北京100089)

1 引言

人类5百万年的昼间习惯，使人眼适应了稀薄云彩下的白天景致。因此，对于人眼，物体表面的最舒适的照度水平，是薄云下的白天景致，这相当于大约1021个光子厘米－2秒－1，等效亮度为330cd m－2(330尼特(nit))［1］。备选的光源需要以330cd m－2的亮度照亮，因此，对于人眼，物体表面的最舒适的光照水平，是薄云下的白天景致，这相当于大约1021个光子cm－2/s－1，等效亮度为330cdm－2(330 nit)［1］。备选的光源需要以330cdm－2的亮度照亮房间物体的表面。在以往的报道中我们看到，在阴极射线管(CRT)和荧光(FL)管中，1 cm3体积荧光屏内每个电子产生3×1010个光子(或者说ηq=103)，具有超高的量子效率而没有发热的问题［2］。25英寸的CRT在荧光屏(1875cm2)上以1021个光子cm－2s－1的密度投影光影像。通过电子在氩气空间中散射而激发汞原子，直径30mm长度100mm的单只荧光管的荧光屏(942cm2)，令人吃惊地发射出特殊波长的可见光光子3×1025个。目前，作为半导体技术的开发结果，有许多固体光源(SLS)的建议。SLS利用注入电子在指定固体中固有的运动特性，SLS通过处于发射层的发光中心内注入电子与空穴的复合来产生光，因此，如果没有固体内运动电子的干扰，SLS所发射光子的数量相当于注入电子的数量。这意味着理想SLS的最大量子效率应该是ηq=1.0。SLS与CRT和FL在ηq值和屏面积上有巨大的区别，由于ηq=1.0太小，为了获得适当的亮度，SLS需要特别大数量的注入电子。所建议的SLS是电致发光显示(EL)、发光显示(LED)和有机发光显示(OLED)，本报告将量化计算ηq值、最大能量转换效率(η值)以及FED、EL、LED和OLED在实际应用中所受到的局限。

2 确定来源于固体光源的光

作为固体物理开发结果，提出了许多新的SLS的建议。SLS通过固体晶体薄层堆砌而成，由于SLS有一个包含发光中心的发射固体层，注入电子和空穴在发光中心的发射层内复合而产生光。如果情况确实如此，对于注入SLS的每个电子，SLS可能有最大的ηq=1.0。

已经发表的报告假设SLS的ηq=1.0，由于从SLS发射的光为肉眼可见，该光可能作为照明源。可见光对于我们来说是有形的物体，这导致在光强度测量上的混乱。我们可能确定从SLS发光中心发射光(光子)的总数。光有三个特性:(a)带有能量的粒子(光子);(b)不同波长显示不同颜色的波;(c)不带电荷的粒子。因为发射光带有能量，从SLS中发射的光就能被光敏感元件检测到，它能测量光子的能量。然后，就可以获得SLS的品质因数η的值，它是SLS光子的输出能量与输入电能的比值。SLS的输出发射光子(亮度)应该用cd m－2来量度，更精确的，发射光子的能量通过能量探测器来度量，比如测辐射的热仪器。

有许多报告对SLS进行评估，然而，对光强度的测量采用简便的光敏感元件给出的“流明或勒克斯”，然后，能量转换效率便由lm/W给出，这里W是输入电能。根据色彩科学的比色法理论，lm/W仅仅取决于可见光的光谱分布。流明并不是一个物理学单位(如:能量)，这意味着流明或勒克斯的测量没有科学的介入。流明可用于生产实践中的质量控制，尽管在许多报告中用lm/W，但在本报告中，我们不象已有报告那样采用lm/W来作为SLS的能量转换效率的参考。

3 固体中的电流

SLS利用固体中的运动电子和空穴，关于电子的科学研究始于1800年，亚历山大伏打在1800年发明了伏打电池(蓄电池)，由此打开了研究电子在固体、液体、气体和真空中行为的大门。从此后，人们开始利用伏打电池来研究电子在固体、气体和真空中的导电原理。伏打电池的缺点是，在使用和未使用的伏打电池中都会有能量流失(放电)，在那个时候，伏打电池流失电能的现象被材料科学神秘地解释为“自放电”。尽管伏打电池存在缺陷，但连接于伏打电池电极的金属导线中运动电子的方向还是被明确地检测出来了，电子被肉眼所见。关于电子的研究属于抽象过程。

检测电子方向的方法如下:阳极(+)向金属导线提供电子，阴极(－)从金属导线收集电子。图1显示一个伏打电池和电子在(a)硫酸(H2SO4)溶液中流动的方向，以及(b)连接阴极(锌金属)和阳极(铜金属)的导线。在溶液中，阴极向溶液提供电子，而阳极从溶液中收集电子。在真空中，阴极向真空提供电子，而阳极从真空中收集电子。运动电子的不同方向在研究SLS之前需要清晰。图2说明电子在固体、液体和真空中的运动方向，SLS中注入电子的方向是从阳极到阴极。在固体中，电子从不反方向运动。原子(或离子)占据在晶体内晶格的位置，电子在其间的尺度狭窄空间中运动。

SLS的材料不是用具有零阻抗的超导制成，SLS不可避免地存在由于占据晶格位置原子的热振动干扰而产生的电子阻抗。对于一个给定的SLS，电阻随着SLS的温度上升而上升，温度越高，阻抗越大。因此，SLS在运行中不可避免地会产生焦耳热。运行中焦耳热的产生可能制约SLS的应用领域。

图1 伏打电池硫酸溶液中的电流含有阻抗的导线

图2 固体中(A)，真空中(B)，液体中(C)电流方向

4 确定显示器件的功耗

什么是SLS的输入功率(能量)开始出现混淆，混淆开始于荧光灯(FL)的引入。传统上计算荧光灯管的功耗，是用荧光灯管电极上测到的电压vtube(有效值)和荧光灯管与电源之间导线中测到的电流itube(有效值)的乘积。图3(A)说明vtube和itube的确定点。传统方式所确定的荧光灯管的输入电功率不包括操作装置的功耗，它取决于驱动器件(稳压器或镇流器)输入端的电压v(有效值)和电流i(有效值)。评估荧光灯管功耗的传统方法是模拟钨丝灯泡(以下称钨丝灯泡)，如图3所示，钨丝灯泡没有驱动装置。与钨丝灯泡相反，荧光灯管通过驱动装置运行的，其额定电力消耗Wtube(vtub×itube)不包括驱动装置的功耗。据此，Wtube给出的的功耗低于驱动装置输入端检测到的W(vi)。消费者支付的是W(vi)的费用，而不是Wtube的费用，依据不同的生产商，W(vi)的值是Wtube的150%到200%。

图3 测量钨丝灯泡交流电压和交流电流示意图(A)外部驱动装置(vi)输入端(B)FL管功耗的传统确定方式

SLS与FL管的方式类似，SLS的功耗(W)不包括驱动装置的功耗。实用的平板SLS通过脉冲发生器发生的脉冲和有时会有的冷却装置运行，在本报告中，我们采用SLS自身的功耗W来计算SLS的输入能量，理由是不同的SLS生产商其驱动装置的功耗有明显的差异。需要注意的是某些SLS，如点光源，其运行不需要驱动装置，但它们只是一种点光源，由于亮度不够，并不被用作照明源。

5 固体光源的量子和能量转化效率

5.1 场致发射显示(FED)

在九十年代，一种流行的备选平板照明源是场致发射显示(FED)［3］，FED并不属于SLS。但是，电子源通过场致发射(FE)阵列在晶体板上产生，晶体板是采用最先进的半导体技术生产的。鉴于以上理由，我们将FED作为SLS的备选来讨论。

FED中光子的产生机制与CRT相同，电子源是分布在平板上的尖点(小于0.1μm)阵列构成的冷阴极(在显微镜下可见)。FE阵列是通过最先进的LSI(大规模集成电路)技术制成的，作为一个样例，图4显示FE阵列的照片。对FED荧光屏要求的光子数量是1021个光子cm2s－1［4］，我们假设发射光子的平均能量2.4电子伏特(eV)(530纳米(nm))，1eV相当于1.6×10－19J，这里J是焦耳，W的能量由Js－1给出。FED荧光屏的输出能力计算为380W/cm－2(=1021×2.4eV×1.6×10－19J)。来自FE的电子散落在荧光屏上，然后，FED荧光屏上的辉光电流密度可从能量(380W cm－2)中计算出来。假设CRT(和FED)荧光屏的量子效率为103，如果FED的阳极电压是1kV，FED荧光屏的电流密度由WV－1(W=VI)给出，它是380 mAcm－2(=380×10－3)。荧光屏上的辉光电子密度相当于从FE阵列发射电子的密度，FE阵列必须以380 mAcm－2的密度发射电子。由于来自有电阻的尖点(小于0.1 μm)的电子密度(380 mAcm－2)是非常高的，FE阵列的尖点会被焦耳热融化，因此，尖点变圆。FE的圆顶显著减少电子发射。FE圆顶所发射的电子数量不足以在FED荧光屏上显示图像。2000年后，有来自美国和欧洲的大机构报告FED消失。然而，仍然有那些不从FED的FE阵列计算电流密度的作者报告期望改进亮度。作为科学，期望永远不会自动变成现实，真实的产品只能靠科学来支撑。

图4 板上场致发射阵列扫描电子显微镜照片

5.2 电致发光器件

在五十年代，EL器件被提议为新的SLS光源，从那时起，取得了许多的研究成果。在六十年代早期，一个美国科学家对他的实验结果感到奇怪，他仔细检查了EL器件的提议，他发现在EF器件的提议中η值的一个简单计算错误，EF器件正确的η值是建议值的十分之一。在那时，计算既不使用电子计算器，也不使用个人电脑，计算直接写在纸上。EL器件的固体层有电阻，EL层的焦耳热和电击穿使EL器件的应用受到限制。平板EL的亮度是要求亮度(330 cd/m－2)的十分之一。有关亮度计算的错误没有在公共媒体上进行报道，该信息在美国和欧洲的私下交流中传播。由于无法从出版物中获得平板EL的低η值，已经发布的EL器件仍然吸引着那些对EL器件所需η值没有进行计算的人，近年来，他们的定性工作结论在许多刊物上发表。关于EL器件的研究持续了50年，但实用的EL器件应用始终被限制在低照度的领域。

5.3 发光二极管

在光源的商业市场上有许多的LED，AlGaAs(红色和近红外)、GaAsP(红色、橘红色、黄色)、InGaN/AlGaN(橘红色、黄色、绿色、蓝色、紫罗兰和紫外)、GaP(红色、黄色、绿色)、ZnSe(绿色和蓝色)、AlGaInP(橘红色、桔黄色、黄色和绿色)、钻石C(紫外)、ZnO(蓝色、紫罗兰、近紫外)，它们建在SiC、Al2O3或者Si的平台(基片)上。我们采用已经发布的，建于Al2O3［4，5］基片上基于InGaN/AlGaN的发射白光的LED(以下称LED)做如下计算。图5作为样例，说明LED原件的结构。

图5 LED器件的结构

在计算中，我们采用参考［4，5］中的LED参数，它们是(a)输入电压、(b)注入电子流和(c)电阻。在LED的发射层中，注入电子和空穴在发光中心(量子阱)内发生复合而产生光(光子)，因此，从LED发射的光子数量直接与注入发射层的电子数量相对应。限于我们的观察，未发现对于单个LED原件(每cm2/s)，有(a)注入其中的电子数量和(b)发射光子数量计算的报道。因此，有关LED的报道，从没有将LED作为房间的照明源所需要的运行条件进行过量化计算。

在计算LED所需运行条件之前，我们在假设ηq=1.0的前提下已经计算了理想η的最大值，它表示所有注入电子在LED中全部与空穴复合，尽管在实际的LED中不可能发生。

我们计算最新已报道在1mm2基片上的单个LED元件的运行条件，我们假设施加到LED元件上的输入电压和电流是在连接LED电极的导线处测量到，报道给出最高亮度输出时的运行条件是2.8V和0.1A每1mm2基片。电流的科学评估应该源自电流密度，这就是LED基片在单位区域(cm2)里，而不是1mm2基片的电流。LED的电流密度计算为10 A cm－2(=0.1×102)，输入功率W是28W cm－2(=2.8V×10 A)，1A电流是每秒一库仑电荷，一个电子有1.6×10－19库仑电荷。然后，计算10 Acm－2电子的数量。10A电流含有6.3×1019个电子［=10(1.6×10－19)－1(cm2s)－1］，通过在发射层中电子与空穴的复合，从LED中发出光。每个电子空穴对复合产生一个光子，因此，从LED发射出的光子数量与每单位时间注入的电子数量直接相应，与所加载的电压无关。从LED的单位基片上发射出的光子数量是6.3×1019个光子(cm2s)－1。

在假设ηq=1.0的情况下，这表示所有的注入电子都在发光中心复合，我们可以计算从LED发出的蓝光的能量。蓝光含有2.7eV的能量，从LED发射的蓝光的能量计算为25W(=6×1019×2.7 eV×1.6×10－19Jcm－2s－1)，这里J是焦耳，W=Js－1。然后，我们可以计算蓝光的理想能量转换效率的最大值(η)，蓝光LED的最大η值计算为η=89%［=100×25W×(28 W)－1］。计算最大η值时不考虑LED运行时焦耳热的损耗，所有注入电子转化为光子。这不是实际的LED，因为LED都有电阻。

在现实中，LED的固体层不是用没有电阻的超导制成，LED层有电阻。已报道LED在基片cm－2的阻抗计算为0.28Ω［R=VI－1=2.8V(10A)－1］，这里V是加载电压，I是电流，Ω是用欧姆表示的阻抗。阻抗的功耗是RI2(=28 W)。基于阻抗的计算W=28瓦，表明所有的输入能量都被以焦耳热的形式用阻抗消耗，这同样不是现实的LED。LED发射光，我们必须解决LED运行条件的谜题。

5.3.1 已报道LED的实际量子和能量转换效率的计算

如果我们采取已报道的ηq=0.8［5］，进入发射层中的注入电子的80%产生光，确定ηq的值需要注入电子的数量和每个指定LED基片所发射光子的数量。在报道［5］中，我们找不到ηq=0.8的确定过程，我们无法确认ηq=0.8。无论如何，我们用ηq=0.8进行如下计算。

发射蓝光光子的数量计算为5.0×1019个光子(cm2s)－1(=6.3×0.8×1019)，蓝光η的值是71%［=100×25W×0.8×(28W)－1］，白光的平均能量为2.2eV，白光的平均能量计算为18 W(=6.3×1019×0.8×2.2eV×1.6×10－19J cm－2s－1)，白光的η值是64%［=18W(28W)－1］，输入能量剩余的36%在LED内部转化为热，包括从蓝光变成白光(斯托克司频移)而丧失的热。所发射光子的数量白光与蓝光相同，是5.0×1019(cm2s)－1。对于在房间内1cm2尺度舒适照度所需的1021个光子而言，LED所发射的白光光子的数量仅为其0.05倍{=5.0×1019×10－21}。

5.3.2 LED基片的串联和并联

来自1cm2基片上单个LED的光作为照明源太低了(仅为5%)。LED实际是制作在1mm2尺度的基片上的，为了将LED基片的尺寸增加到cm2，在运行时需要将100个LED连接在一起。如果将100个1mm2基片的LED并联，在运行时会出现严重的问题。每个LED没有严格相同的电阻，电流会选择100个并联在一起的LED中电阻最小的那个，只有被选的那个LED会发光，并被焦耳热立即毁坏。对于并联来说，需要100个LED的电阻都相同。通过对每个LED串联一个外加电阻(Rext)，实现了LED电阻的等同化。内电阻(Rint)的差异可能有±10%的落差，例如:Rint是0.28Ω±0.03Ω(=10%)。由于Rext的介入，总电阻的变化应该在±0.3%的范围。Rext通常是Rint的25倍，Rext计算为7.0Ω(=0.28Ω×25)，总电阻R(Rint+Rext)是7.28±0.03Ω。R的变化是±0.4%，至此，并联在一起的100个LED全部发光。

这里有一个严重的问题，如果每个在1cm2基片上的LED有Rext=7.5Ω［5］，Rext由于焦耳热而消耗电能。在单位尺度(cm2)中，简单计算Rext(7.5Ω)的能量消耗是75W(=RI2=7.5Ω×102A)，在单位尺寸中基片上的100个LED的总R是R的百分之一(=R/100)。由于LED的并联，电阻减少为Rn－1，这里n是并联LED的数量，并联LED的电流I与LED的数量成线性增长。直流功耗由W=VI给出，运行LED所加载的电压是固定的，在并联LED中，功耗将与其数量成线性增长，并联LED不是节能光源。

另一种方式是没有Rext的LED串联。对于指定的板，大数量的LED要在上面进行串联有实际的困难。作为照明源，LED需要在板上安排足够的密度，然而，每个串联LED都会由于焦耳热(10W)而发热。串联的LED在发光强度上有优势，LED与导线间有非常好的分离。

5.3.3 作为房间的照明源对LED基片(平板)的要求

使用已报道的LED原件作为房间表面物体照明，我们现在可以计算对LED基片区域的要求。

对于房间里1cm2单位表面区域舒适照明所需要的光子数量［1021个光子(cm2s)－1］，单个LED所发出白光的光子数量［5.0×1019(cm2s)－1］，仅为其5%［=5.0×1019×10－21］。所需光子的数量随着房间的尺寸而改变，照明一个5×5m2(2.5×104cm2)房间的光子数量计算为2.5×1026(=2.5×104×1×1021)。如果使用已报道的LED照明的5×5m2(2.5×104cm2)房间，所需的LED(平板LED)基片面积就算为200m2［=1026(5.0×1019)－1=2×106cm2］。对比房间的尺寸(25m2)，200m2的所需基片(平板)面积的尺寸太大了，将LED用于房间(25m2)的照明，所需平板的尺寸一定是个问题。来自LED平板的焦耳热是LED应用的主要问题。

5.3.4 LED作为照明源的问题是发热

正如在第三章所讨论的，不带Rext的单个LED原件运行时，单位尺寸(1cm2)LED在发光的同时，会对LED层和荧光粒子以10W的功率进行加热。如果平板LED的面积是10×10cm2，平板LED被1kW(=10W×102cm2)加热。用于25m2房间照明的200m2平板被2000kW的加热器加热。对于居室和办公室的房间照明，平板LED的基片尺寸和发热时运行LED的严重问题。日本政府规划拟定的目标是LED灯的亮度达到FL管的两倍，且更节能［3］。12年后，我们没有此类产品在手，政府规划将于2010年终止。

需要注意的是，三(3)只直径30mm长100cm的FL管，可以昼间景致的亮度(1021个光子cm－2s－1)照亮5×5m2房间的表面物体，其热度为40℃［2］。

5.3.5 一种减少LED基片和运行时热度的方法建议

如果平板LED采用低频脉(帧)扫描运行，平板LED的加热温度可能降至可接受的水平。表1示意性说明点扫描、线扫描和帧扫描方式运行时，能量减少的比率，扫描方式节能的详情见参考文献［6］。通过视觉残留的影像感知，观察同样亮度的点扫描(直流运行)，采用脉冲扫描的平板LED的功耗有明显的下降。运行频率低于30Hz，人们可能感觉到光的闪烁，这会因人而异。表1给出更新周期为50Hz的点扫描、线扫描和帧扫描输入功率减少量。

图6

表1 由于扫描方式，相同亮度下不同的输入功率

在实践中，采用50Hz帧扫描，200m2平板LED的250kW发热可能减到令人吃惊的37W(=250×103×1.5×10－4)，37W是实践中可以接受的范围。采用50Hz更新频率的帧扫描，平板LED的尺寸(200m2)也减小到300cm2(18×18cm2)(=2×106×1，5×10－4)可接受的尺寸。作为照明源和显示装置的实用平板LED，就以下条件进行折中:(a)人眼对闪烁的感知、(b)平板LED的基片尺寸和(c)平板LED的加热温度。本报告只对改进方向提出建议，因为我们不是电子线路设计师。运行平板LED更新扫描的实践优化是电工技术工作，还需要做进一步研究。

5.3.6 与LED运行相关的其他内容

由于LED的亮度随着注入电流的增加而增加，许多作为照明源的商用LED采用折中的频率以脉冲方式在大约200℃运行［7］。200℃时，在GaN层内的发光中心(含有杂质)慢慢从GaN层内的晶格中扩散出来。根据占用时间的概率分析，由于发光中心从GaN发射层的反响扩散，LED的光强度随运行时间成指数衰减。已经发现，发光中心从GaN层反响扩散的阈值温度大约为70℃±10℃。如果LED在低于70℃的温度运行，则由于较少注入电子而使得亮度较低，但寿命较长。高于70℃会缩短LED的寿命，其结果是，运行LED时的发热限制了LED的应用。

人脑能感觉到投射到眼睛视网膜上的光，大脑敏感地察觉到黑色(或深色)背景里一个点光源，它投射到视网膜局部狭小的点上。由于这个原因，人们在夜间能区别感知到微小的LED光，但是，在白天，人们无法看清同样的LED光。

从人眼的视角看，图像投射到视网膜的全部区域，银屏上的亮度需要随物体距离人眼的距离而变化［8］。在大约30cm的距离，人们可以观察到便携式电子装置上的明亮图像(比如:笔记本电脑、手机、i-phone、智能手机等等)。便携式电子装置的发光荧屏所需的亮度是自然景色亮度的十分之一，LED可能在电子装置的发光荧屏上具有优势。

5.4 OLED

我们可以计算OLED的η值。OLED是通过有机薄膜的堆起层制成的，其厚度远高于LED(在亚微米到微米的范围)。光产生于发射层中注入电子和空穴的复合，因此，OLED中产生的光子数量与OLED发射层中注入的电子数量成比例。如果我们忽略OLED的阻抗，OLED的ηq=100%，则最大η=44%。

OLED的层不是用超导制成，OLED运行中会有电阻，它产生焦耳热。而且，现有的技术无法彻底清除OLED层中的无辐射中心。因此，OLED层中的焦耳热可能制约其应用范围。考虑到焦耳热，OLED亮度的上限取决于将薄膜层电击穿的电弧电流。

6 结论

作为对已报道LED样品的计算结论，对LED的评估需要用单位面积(cm2)上的LED基片来做。LED的亮度与进入LED内的注入电子数量成比例关系，更亮的LED采用更高的电流运行，由此，计算出房间舒适亮度所需的发射光子数量。由于LED不是由超导制成，LED对电流而言不可避免地会有电阻。因此，也许可以这样说，LED作为照明源用于居室的房间、办公室、大型购物中心，受限于因电阻和电流所导致的焦耳热。计算结果指出，如果平板LED采用帧扫描(脉冲扫描)运行，而不是直流运行，焦耳热和对平板LED基片尺寸的要求能下降到可接受的水平。

致谢:The authors wish their thanks to Mr．J．C．McKain for the brush up English．

［1］L．Ozawa and M．Itho．Chemical Rev．，103，p385(2003)

［2］L．Ozawa and Y．Tian．this journal，Vol．11，No．3，p52－57，2010

［3］C．A．Spindt．L．Brodie，L．Hemphrey，R．E．Westerberg，J．App l．Phys．，47，5248，1976

［4］L．Ozawa，Asia Display 1998，Workshop FED－8，Seoul，Korea，Sept．28，1998

［5］Y．Narukawa，M．Ichikawa，D．Sanga，M．Sano and T．Mukai，J．Phys．D:Appl．Phys．43，354002，2010

［6］Y．Narukawa，J．Narita，T．Sakamoto，T．Yamada，H．Narimatsu，M．Sano，and T．Mukai，Phys．Stat．Sol．(a)204，2087，2007

［7］L．Ozawa．Cathodoluminescence and Photoluminescence，CRC Press，Taylor ＆ Francis Group，Boca Raton，2007

［8］L．Ozawa and Y．Tian．this journal，11，128，2010

［9］K．Oki and L．Ozawa，J．Displays，16，59，1995