白光LED发光原理研究

倪江楠 连晗

引言：本文通过白光LED的发光情况进行分析，阐述其发光的原理，并对其应用技术分析。

一、发光本质、发光的分类及发光材料的应用

（一）发光的本质。光是电磁波，具有波粒二象性。光的波动性由波长和频率两个参量来表示，在真空中满足 ，其中c为光在真空中的波速。光的粒子属性由频率为v的光其单位能量为hv来表示，当这个能量照射到物体时能激发出光电导、光电发射、发光及光化学等效应，称为光量子或光子。

发光就是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的能量直接以光能的形式释放出来的非平衡辐射过程。发光的第一个特点是，其与周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温，故称为“冷光”。其第二个特点是从外界吸收能量后，要经过能量的吸收、存储、传递和转换过程，最终发射出光来。发光只是一种宏观现象，其微观本质为原子核外电子云的形变，形变力使得电子穿过价带进入禁带，从而为荧光的产生创造了根本条件，高能级的电子跃迁形成荧光。发光的本质是能量的转换，其与基质的能带结构、晶体结构、载流子等密切相关。稀土离子具有良好的发光本领，其根本原因就在于丰富的电子能级和长寿命激发态，特殊的 电子层结构为能量转换提供了重要的保障。

（二）发光的分类。一种物质，它从外界吸收能量，引起内部的合适的激发，经过能量存储、转换，然后发射出光束来。首先，既然需要吸收能量，那么按照吸收能量的来源来划分，可以分为物理发光、机械发光、化学发光及生物发光，其对应的能量分别为物理能、机械能、化学能和生物能。其次，可以按照物理能激发的方式不同又可以划分为光致发光、电致发光、X射线发光及放射性发光等。发光的大致分类如表1所示。

（三）发光材料的分类及主要应用。发光材料按照材料的物理性质可以划分为固体、液体和气体发光材料。其中，固体发光材料按照其具体形式可以分为粉末、薄膜、陶瓷、纤维、晶体、玻璃、闪烁体、液晶等。固体发光材料主要包括有机和无机固体发光材料。根据激发方式的不同，固体发光材料可以分为：光致发光材料、电致发光材料、X 射线及高能发光材料、阴极射线发光材料、化学能发光材料、生物能发光材料、机械能发光材料、光释发光材料、声致发光材料、应力发光材料等。本文主要研究光致发光材料。

光致发光材料：在紫外光、高能辐射、可见光、红外光等激发下能发光的材料称为光致发光材料。光致发光材料又可以分为荧光灯用荧光粉、长余辉发光材料和上转换发光材料。荧光灯用荧光粉是一类在紫外光和近紫外光激发下能够产生可见光的光致发光材料。荧光灯用荧光粉主要应用于照明、显示领域。尤其是在白光发光二极管领域，三基色荧光粉在白光的产生中占据主导地位。长余辉发光材料是一类可将紫外光或可见光转换为可见光的发光材料。长余辉发光材料可以存储光能、太阳能等，然后在黑暗的环境下自动释放能量而发出可见光，而且这样的存储-释放的过程可以重复许多次。长余辉发光材料的应用非常广，可以应用于发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光陶瓷、发光水泥、发光工艺品、发光玻璃、发光钟表和夜光仪表等，在建筑装饰、装潢、铁路船舶交通、军事、医疗、纺织、应急照明、防伪标记以及日常生活用品等领域被广泛使用。

上转换发光材料是一类将红外光转换为可见光的光致发光材料。大部分的发光材料遵循斯托克斯定律：即用短波长(高能量)的光子照射材料得到长波长(低能量)的光子。然而，当用长波长(低能量)的光子激发发光材料产生短波长(高能量)的光子的现象称为上转换发光或反斯托克斯发光，相应的这种发光材料称作反斯托克斯(Anti-Stocks)材料或上转换发光材料。Pr3+、Sm3+、Er3+激活的某些复合物在约980nm的红外光激发下能观察到反斯托克(Anti-Stokes)荧光现象。

上转换的发光过程和机理分为激发态吸收、能量传递和“光子雪崩”过程三种情况。上转换发光材料主要应用于红外防伪上转换、反斯托克斯荧光制冷、上转换激光器、上转换三维立体显示、电子俘获材料以及燃料敏化太阳能电池。反斯托克斯荧光制冷是利用这样一种原理：用低能量的光激发发光介质，发光介质发射出高能量的光子，从而将发光介质中的原有能量带出介质外，产生制冷效应。值得注意的是，电子俘获材料的光致上转换机制与通常的多光子过程是不一样的，其本质是红外线激励下的电子-空穴复合发光。发光材料的应用非常广泛，其主要应用于白光LED、液晶显示、等离子体显示平板、激光器、闪烁器等各种领域。此外，发光材料还在农业上选种，工业中的分析、染色、医学诊断，水利勘测以及化学分析，分子生物学和考古学中都有不同程度的应用。

二、白光LED和白光LED用红色荧光粉

（一）白光LED简介。白光LED是由发光二极管(light emitting diode,简称LED)芯片和可被LED有效激发的荧光粉组合而成的能获得各种室温发光出白光的器件。白光发光二极管的发展很大程度上取决于发光二极管芯片的发展。发光二极管芯片的地位是第一位的。白光发光二极管作为一种新型全固态照明光源，深受许多学者和政府的高度重视。白光LED就像爱迪生发明的白炽电灯一样，将引起照明工业的一场革命，并带动和推动一大批相关产业的发展，如稀土产业、芯片产业等。白光LED具有很多的优点，广阔的应用前景和潜在的市场，它被视为21世纪的绿色照明光源，已经获得许多政府的大力支持。

白光LED照明光源主要的优势在于：寿命超长、效率高、环保节能、光谱范围宽、无污染、安全可靠：启动电压低、显色性好、效应时间短、无频闪、无红外和紫外辐射、可视距离远、抗恶劣环境、体积小。

（二）白光LED的基本原理和结构。LED(light emitting diode),即是一种具有二极管电子特性且能发光的半导体组件。LED既具有二极管整流的功能，也具有发光特性，在白光LED中是利用它的发光特性。发光二极管是结构型发光器件，图1是发光二极管的基本结构图，其核心部分为LED芯片。商业上的发光二极管一般用环氧树脂封装外壳，芯片的直径一般为200-350 ，主要结构是p-n结结构。另外，一般需要包括n型层和p型层，并在p型层和n层上分别制作电极。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。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，以增加复合发光的概率。

图1 发光二极管的基本结构图

虽然实现白光LED的方案有很多，但目前最主要的技术方案有三种。第一种为蓝光LED和YAG:Ce 荧光粉合成白光。此种组合方式是目前最常用的白光LED制作方式，其优点是此种组合制作简单，在所有白光LED的组合方式中成本最低而效率最高，大部分白光LED都以此种方式制成。第二种技术方案为紫外LED激发红、绿、蓝荧光粉合成白光。其原理与三基色荧光粉类似。采用紫外LED泵埔红、绿、蓝三色荧光粉，产生红、绿、蓝三基色光，通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光。但是，此种方案必须要求红、绿、蓝荧光粉在近紫外区域有较强的吸收。但是，此种组合方式的白光LED最大的一个瓶颈在于效率偏低，主要原因在于所使用的紫外LED效率偏低。

第三种技术方案为红色LED、绿色LED、蓝色LED芯片或发光管组成一个像素(piexel)来实现白光。红、绿、蓝三色LED 组合的白光的色纯度很高，在大型液晶显示器(Liquid Crystal Display, LCD)、TV背光源领域具有巨大的市场潜力。但是，由红、绿、蓝三色LED合成白光的缺点是：生产成本最高。由于三种颜色的LED 的量子效率不同，而且随着温度和驱动电流的变化不一致，随时间的衰减速度的快慢也各不相同，必加的补偿电路不但造成电路复杂，也增加了生产的成本。

（三）白光LED 用红色荧光粉。虽然实现白光LED 具有三种主要的技术方案，但是每一种方案都具有一定的瓶颈。例如，基于蓝光LED的白光发光二极管由于缺乏红光发射的荧光粉导致其显色指数偏低，不能满足某些特殊领域的应用。第二种方案其整体的发光效率有待改进，这就急需寻求在近紫外区域具有良好吸收能力的红、绿、蓝荧光粉。第三种方案其生产成本和色漂移是必须考虑的问题。提高显色性的方案主要有：(1)可以在黄色荧光粉YAG:Ce中掺入适量的红色荧光粉来提高显色性；(2)也可以通过掺杂改性使原来的黄色荧光粉发射波长红移，以增加红色成分来提高显色性。综上所述，无论是哪一种技术方案，要制得高显色指数的白光LED，

在蓝光或近紫外区域具有高吸收系数的红色荧光粉是必需的和急迫的。虽然三价Eu3+掺杂的材料被广泛地应用于红色荧光粉，但其也具有红色成份不足之处，因为其主要的发射波长位于约615nm归因于Eu3+的5D0→7F2跃迁，此跃迁并未在深红色发射区域。因此，本论文将研究镨、钐掺杂的红色荧光粉，其发射可位于深红色光谱区域。

参考文献

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