固體光源在實際應用中的局限

小澤隆二 田亞葵

(北京天洋浦泰投資咨詢有限公司，北京100089)

1 引言

人類5百萬年的晝間習慣，使人眼適應了稀薄云彩下的白天景致。因此，對于人眼，物體表面的最舒適的照度水平，是薄云下的白天景致，這相當于大約1021個光子厘米－2秒－1，等效亮度為330cd m－2(330尼特(nit))［1］。備選的光源需要以330cd m－2的亮度照亮，因此，對于人眼，物體表面的最舒適的光照水平，是薄云下的白天景致，這相當于大約1021個光子cm－2/s－1，等效亮度為330cdm－2(330 nit)［1］。備選的光源需要以330cdm－2的亮度照亮房間物體的表面。在以往的報道中我們看到，在陰極射線管(CRT)和熒光(FL)管中，1 cm3體積熒光屏內每個電子產生3×1010個光子(或者說ηq=103)，具有超高的量子效率而沒有發熱的問題［2］。25英寸的CRT在熒光屏(1875cm2)上以1021個光子cm－2s－1的密度投影光影像。通過電子在氬氣空間中散射而激發汞原子，直徑30mm長度100mm的單只熒光管的熒光屏(942cm2)，令人吃驚地發射出特殊波長的可見光光子3×1025個。目前，作為半導體技術的開發結果，有許多固體光源(SLS)的建議。SLS利用注入電子在指定固體中固有的運動特性，SLS通過處于發射層的發光中心內注入電子與空穴的復合來產生光，因此，如果沒有固體內運動電子的干擾，SLS所發射光子的數量相當于注入電子的數量。這意味著理想SLS的最大量子效率應該是ηq=1.0。SLS與CRT和FL在ηq值和屏面積上有巨大的區別，由于ηq=1.0太小，為了獲得適當的亮度，SLS需要特別大數量的注入電子。所建議的SLS是電致發光顯示(EL)、發光顯示(LED)和有機發光顯示(OLED)，本報告將量化計算ηq值、最大能量轉換效率(η值)以及FED、EL、LED和OLED在實際應用中所受到的局限。

2 確定來源于固體光源的光

作為固體物理開發結果，提出了許多新的SLS的建議。SLS通過固體晶體薄層堆砌而成，由于SLS有一個包含發光中心的發射固體層，注入電子和空穴在發光中心的發射層內復合而產生光。如果情況確實如此，對于注入SLS的每個電子，SLS可能有最大的ηq=1.0。

已經發表的報告假設SLS的ηq=1.0，由于從SLS發射的光為肉眼可見，該光可能作為照明源。可見光對于我們來說是有形的物體，這導致在光強度測量上的混亂。我們可能確定從SLS發光中心發射光(光子)的總數。光有三個特性:(a)帶有能量的粒子(光子);(b)不同波長顯示不同顏色的波;(c)不帶電荷的粒子。因為發射光帶有能量，從SLS中發射的光就能被光敏感元件檢測到，它能測量光子的能量。然后，就可以獲得SLS的品質因數η的值，它是SLS光子的輸出能量與輸入電能的比值。SLS的輸出發射光子(亮度)應該用cd m－2來量度，更精確的，發射光子的能量通過能量探測器來度量，比如測輻射的熱儀器。

有許多報告對SLS進行評估，然而，對光強度的測量采用簡便的光敏感元件給出的“流明或勒克斯”，然后，能量轉換效率便由lm/W給出，這里W是輸入電能。根據色彩科學的比色法理論，lm/W僅僅取決于可見光的光譜分布。流明并不是一個物理學單位(如:能量)，這意味著流明或勒克斯的測量沒有科學的介入。流明可用于生產實踐中的質量控制，盡管在許多報告中用lm/W，但在本報告中，我們不象已有報告那樣采用lm/W來作為SLS的能量轉換效率的參考。

3 固體中的電流

SLS利用固體中的運動電子和空穴，關于電子的科學研究始于1800年，亞歷山大伏打在1800年發明了伏打電池(蓄電池)，由此打開了研究電子在固體、液體、氣體和真空中行為的大門。從此后，人們開始利用伏打電池來研究電子在固體、氣體和真空中的導電原理。伏打電池的缺點是，在使用和未使用的伏打電池中都會有能量流失(放電)，在那個時候，伏打電池流失電能的現象被材料科學神秘地解釋為“自放電”。盡管伏打電池存在缺陷，但連接于伏打電池電極的金屬導線中運動電子的方向還是被明確地檢測出來了，電子被肉眼所見。關于電子的研究屬于抽象過程。

檢測電子方向的方法如下:陽極(+)向金屬導線提供電子，陰極(－)從金屬導線收集電子。圖1顯示一個伏打電池和電子在(a)硫酸(H2SO4)溶液中流動的方向，以及(b)連接陰極(鋅金屬)和陽極(銅金屬)的導線。在溶液中，陰極向溶液提供電子，而陽極從溶液中收集電子。在真空中，陰極向真空提供電子，而陽極從真空中收集電子。運動電子的不同方向在研究SLS之前需要清晰。圖2說明電子在固體、液體和真空中的運動方向，SLS中注入電子的方向是從陽極到陰極。在固體中，電子從不反方向運動。原子(或離子)占據在晶體內晶格的位置，電子在其間的尺度狹窄空間中運動。

SLS的材料不是用具有零阻抗的超導制成，SLS不可避免地存在由于占據晶格位置原子的熱振動干擾而產生的電子阻抗。對于一個給定的SLS，電阻隨著SLS的溫度上升而上升，溫度越高，阻抗越大。因此，SLS在運行中不可避免地會產生焦耳熱。運行中焦耳熱的產生可能制約SLS的應用領域。

圖1 伏打電池硫酸溶液中的電流含有阻抗的導線

圖2 固體中(A)，真空中(B)，液體中(C)電流方向

4 確定顯示器件的功耗

什么是SLS的輸入功率(能量)開始出現混淆，混淆開始于熒光燈(FL)的引入。傳統上計算熒光燈管的功耗，是用熒光燈管電極上測到的電壓vtube(有效值)和熒光燈管與電源之間導線中測到的電流itube(有效值)的乘積。圖3(A)說明vtube和itube的確定點。傳統方式所確定的熒光燈管的輸入電功率不包括操作裝置的功耗，它取決于驅動器件(穩壓器或鎮流器)輸入端的電壓v(有效值)和電流i(有效值)。評估熒光燈管功耗的傳統方法是模擬鎢絲燈泡(以下稱鎢絲燈泡)，如圖3所示，鎢絲燈泡沒有驅動裝置。與鎢絲燈泡相反，熒光燈管通過驅動裝置運行的，其額定電力消耗Wtube(vtub×itube)不包括驅動裝置的功耗。據此，Wtube給出的的功耗低于驅動裝置輸入端檢測到的W(vi)。消費者支付的是W(vi)的費用，而不是Wtube的費用，依據不同的生產商，W(vi)的值是Wtube的150%到200%。

圖3 測量鎢絲燈泡交流電壓和交流電流示意圖(A)外部驅動裝置(vi)輸入端(B)FL管功耗的傳統確定方式

SLS與FL管的方式類似，SLS的功耗(W)不包括驅動裝置的功耗。實用的平板SLS通過脈沖發生器發生的脈沖和有時會有的冷卻裝置運行，在本報告中，我們采用SLS自身的功耗W來計算SLS的輸入能量，理由是不同的SLS生產商其驅動裝置的功耗有明顯的差異。需要注意的是某些SLS，如點光源，其運行不需要驅動裝置，但它們只是一種點光源，由于亮度不夠，并不被用作照明源。

5 固體光源的量子和能量轉化效率

5.1 場致發射顯示(FED)

在九十年代，一種流行的備選平板照明源是場致發射顯示(FED)［3］，FED并不屬于SLS。但是，電子源通過場致發射(FE)陣列在晶體板上產生，晶體板是采用最先進的半導體技術生產的。鑒于以上理由，我們將FED作為SLS的備選來討論。

FED中光子的產生機制與CRT相同，電子源是分布在平板上的尖點(小于0.1μm)陣列構成的冷陰極(在顯微鏡下可見)。FE陣列是通過最先進的LSI(大規模集成電路)技術制成的，作為一個樣例，圖4顯示FE陣列的照片。對FED熒光屏要求的光子數量是1021個光子cm2s－1［4］，我們假設發射光子的平均能量2.4電子伏特(eV)(530納米(nm))，1eV相當于1.6×10－19J，這里J是焦耳，W的能量由Js－1給出。FED熒光屏的輸出能力計算為380W/cm－2(=1021×2.4eV×1.6×10－19J)。來自FE的電子散落在熒光屏上，然后，FED熒光屏上的輝光電流密度可從能量(380W cm－2)中計算出來。假設CRT(和FED)熒光屏的量子效率為103，如果FED的陽極電壓是1kV，FED熒光屏的電流密度由WV－1(W=VI)給出，它是380 mAcm－2(=380×10－3)。熒光屏上的輝光電子密度相當于從FE陣列發射電子的密度，FE陣列必須以380 mAcm－2的密度發射電子。由于來自有電阻的尖點(小于0.1 μm)的電子密度(380 mAcm－2)是非常高的，FE陣列的尖點會被焦耳熱融化，因此，尖點變圓。FE的圓頂顯著減少電子發射。FE圓頂所發射的電子數量不足以在FED熒光屏上顯示圖像。2000年后，有來自美國和歐洲的大機構報告FED消失。然而，仍然有那些不從FED的FE陣列計算電流密度的作者報告期望改進亮度。作為科學，期望永遠不會自動變成現實，真實的產品只能靠科學來支撐。

圖4 板上場致發射陣列掃描電子顯微鏡照片

5.2 電致發光器件

在五十年代，EL器件被提議為新的SLS光源，從那時起，取得了許多的研究成果。在六十年代早期，一個美國科學家對他的實驗結果感到奇怪，他仔細檢查了EL器件的提議，他發現在EF器件的提議中η值的一個簡單計算錯誤，EF器件正確的η值是建議值的十分之一。在那時，計算既不使用電子計算器，也不使用個人電腦，計算直接寫在紙上。EL器件的固體層有電阻，EL層的焦耳熱和電擊穿使EL器件的應用受到限制。平板EL的亮度是要求亮度(330 cd/m－2)的十分之一。有關亮度計算的錯誤沒有在公共媒體上進行報道，該信息在美國和歐洲的私下交流中傳播。由于無法從出版物中獲得平板EL的低η值，已經發布的EL器件仍然吸引著那些對EL器件所需η值沒有進行計算的人，近年來，他們的定性工作結論在許多刊物上發表。關于EL器件的研究持續了50年，但實用的EL器件應用始終被限制在低照度的領域。

5.3 發光二極管

在光源的商業市場上有許多的LED，AlGaAs(紅色和近紅外)、GaAsP(紅色、橘紅色、黃色)、InGaN/AlGaN(橘紅色、黃色、綠色、藍色、紫羅蘭和紫外)、GaP(紅色、黃色、綠色)、ZnSe(綠色和藍色)、AlGaInP(橘紅色、桔黃色、黃色和綠色)、鉆石C(紫外)、ZnO(藍色、紫羅蘭、近紫外)，它們建在SiC、Al2O3或者Si的平臺(基片)上。我們采用已經發布的，建于Al2O3［4，5］基片上基于InGaN/AlGaN的發射白光的LED(以下稱LED)做如下計算。圖5作為樣例，說明LED原件的結構。

圖5 LED器件的結構

在計算中，我們采用參考［4，5］中的LED參數，它們是(a)輸入電壓、(b)注入電子流和(c)電阻。在LED的發射層中，注入電子和空穴在發光中心(量子阱)內發生復合而產生光(光子)，因此，從LED發射的光子數量直接與注入發射層的電子數量相對應。限于我們的觀察，未發現對于單個LED原件(每cm2/s)，有(a)注入其中的電子數量和(b)發射光子數量計算的報道。因此，有關LED的報道，從沒有將LED作為房間的照明源所需要的運行條件進行過量化計算。

在計算LED所需運行條件之前，我們在假設ηq=1.0的前提下已經計算了理想η的最大值，它表示所有注入電子在LED中全部與空穴復合，盡管在實際的LED中不可能發生。

我們計算最新已報道在1mm2基片上的單個LED元件的運行條件，我們假設施加到LED元件上的輸入電壓和電流是在連接LED電極的導線處測量到，報道給出最高亮度輸出時的運行條件是2.8V和0.1A每1mm2基片。電流的科學評估應該源自電流密度，這就是LED基片在單位區域(cm2)里，而不是1mm2基片的電流。LED的電流密度計算為10 A cm－2(=0.1×102)，輸入功率W是28W cm－2(=2.8V×10 A)，1A電流是每秒一庫侖電荷，一個電子有1.6×10－19庫侖電荷。然后，計算10 Acm－2電子的數量。10A電流含有6.3×1019個電子［=10(1.6×10－19)－1(cm2s)－1］，通過在發射層中電子與空穴的復合，從LED中發出光。每個電子空穴對復合產生一個光子，因此，從LED發射出的光子數量與每單位時間注入的電子數量直接相應，與所加載的電壓無關。從LED的單位基片上發射出的光子數量是6.3×1019個光子(cm2s)－1。

在假設ηq=1.0的情況下，這表示所有的注入電子都在發光中心復合，我們可以計算從LED發出的藍光的能量。藍光含有2.7eV的能量，從LED發射的藍光的能量計算為25W(=6×1019×2.7 eV×1.6×10－19Jcm－2s－1)，這里J是焦耳，W=Js－1。然后，我們可以計算藍光的理想能量轉換效率的最大值(η)，藍光LED的最大η值計算為η=89%［=100×25W×(28 W)－1］。計算最大η值時不考慮LED運行時焦耳熱的損耗，所有注入電子轉化為光子。這不是實際的LED，因為LED都有電阻。

在現實中，LED的固體層不是用沒有電阻的超導制成，LED層有電阻。已報道LED在基片cm－2的阻抗計算為0.28Ω［R=VI－1=2.8V(10A)－1］，這里V是加載電壓，I是電流，Ω是用歐姆表示的阻抗。阻抗的功耗是RI2(=28 W)。基于阻抗的計算W=28瓦，表明所有的輸入能量都被以焦耳熱的形式用阻抗消耗，這同樣不是現實的LED。LED發射光，我們必須解決LED運行條件的謎題。

5.3.1 已報道LED的實際量子和能量轉換效率的計算

如果我們采取已報道的ηq=0.8［5］，進入發射層中的注入電子的80%產生光，確定ηq的值需要注入電子的數量和每個指定LED基片所發射光子的數量。在報道［5］中，我們找不到ηq=0.8的確定過程，我們無法確認ηq=0.8。無論如何，我們用ηq=0.8進行如下計算。

發射藍光光子的數量計算為5.0×1019個光子(cm2s)－1(=6.3×0.8×1019)，藍光η的值是71%［=100×25W×0.8×(28W)－1］，白光的平均能量為2.2eV，白光的平均能量計算為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］，輸入能量剩余的36%在LED內部轉化為熱，包括從藍光變成白光(斯托克司頻移)而喪失的熱。所發射光子的數量白光與藍光相同，是5.0×1019(cm2s)－1。對于在房間內1cm2尺度舒適照度所需的1021個光子而言，LED所發射的白光光子的數量僅為其0.05倍{=5.0×1019×10－21}。

5.3.2 LED基片的串聯和并聯

來自1cm2基片上單個LED的光作為照明源太低了(僅為5%)。LED實際是制作在1mm2尺度的基片上的，為了將LED基片的尺寸增加到cm2，在運行時需要將100個LED連接在一起。如果將100個1mm2基片的LED并聯，在運行時會出現嚴重的問題。每個LED沒有嚴格相同的電阻，電流會選擇100個并聯在一起的LED中電阻最小的那個，只有被選的那個LED會發光，并被焦耳熱立即毀壞。對于并聯來說，需要100個LED的電阻都相同。通過對每個LED串聯一個外加電阻(Rext)，實現了LED電阻的等同化。內電阻(Rint)的差異可能有±10%的落差，例如:Rint是0.28Ω±0.03Ω(=10%)。由于Rext的介入，總電阻的變化應該在±0.3%的范圍。Rext通常是Rint的25倍，Rext計算為7.0Ω(=0.28Ω×25)，總電阻R(Rint+Rext)是7.28±0.03Ω。R的變化是±0.4%，至此，并聯在一起的100個LED全部發光。

這里有一個嚴重的問題，如果每個在1cm2基片上的LED有Rext=7.5Ω［5］，Rext由于焦耳熱而消耗電能。在單位尺度(cm2)中，簡單計算Rext(7.5Ω)的能量消耗是75W(=RI2=7.5Ω×102A)，在單位尺寸中基片上的100個LED的總R是R的百分之一(=R/100)。由于LED的并聯，電阻減少為Rn－1，這里n是并聯LED的數量，并聯LED的電流I與LED的數量成線性增長。直流功耗由W=VI給出，運行LED所加載的電壓是固定的，在并聯LED中，功耗將與其數量成線性增長，并聯LED不是節能光源。

另一種方式是沒有Rext的LED串聯。對于指定的板，大數量的LED要在上面進行串聯有實際的困難。作為照明源，LED需要在板上安排足夠的密度，然而，每個串聯LED都會由于焦耳熱(10W)而發熱。串聯的LED在發光強度上有優勢，LED與導線間有非常好的分離。

5.3.3 作為房間的照明源對LED基片(平板)的要求

使用已報道的LED原件作為房間表面物體照明，我們現在可以計算對LED基片區域的要求。

對于房間里1cm2單位表面區域舒適照明所需要的光子數量［1021個光子(cm2s)－1］，單個LED所發出白光的光子數量［5.0×1019(cm2s)－1］，僅為其5%［=5.0×1019×10－21］。所需光子的數量隨著房間的尺寸而改變，照明一個5×5m2(2.5×104cm2)房間的光子數量計算為2.5×1026(=2.5×104×1×1021)。如果使用已報道的LED照明的5×5m2(2.5×104cm2)房間，所需的LED(平板LED)基片面積就算為200m2［=1026(5.0×1019)－1=2×106cm2］。對比房間的尺寸(25m2)，200m2的所需基片(平板)面積的尺寸太大了，將LED用于房間(25m2)的照明，所需平板的尺寸一定是個問題。來自LED平板的焦耳熱是LED應用的主要問題。

5.3.4 LED作為照明源的問題是發熱

正如在第三章所討論的，不帶Rext的單個LED原件運行時，單位尺寸(1cm2)LED在發光的同時，會對LED層和熒光粒子以10W的功率進行加熱。如果平板LED的面積是10×10cm2，平板LED被1kW(=10W×102cm2)加熱。用于25m2房間照明的200m2平板被2000kW的加熱器加熱。對于居室和辦公室的房間照明，平板LED的基片尺寸和發熱時運行LED的嚴重問題。日本政府規劃擬定的目標是LED燈的亮度達到FL管的兩倍，且更節能［3］。12年后，我們沒有此類產品在手，政府規劃將于2010年終止。

需要注意的是，三(3)只直徑30mm長100cm的FL管，可以晝間景致的亮度(1021個光子cm－2s－1)照亮5×5m2房間的表面物體，其熱度為40℃［2］。

5.3.5 一種減少LED基片和運行時熱度的方法建議

如果平板LED采用低頻脈(幀)掃描運行，平板LED的加熱溫度可能降至可接受的水平。表1示意性說明點掃描、線掃描和幀掃描方式運行時，能量減少的比率，掃描方式節能的詳情見參考文獻［6］。通過視覺殘留的影像感知，觀察同樣亮度的點掃描(直流運行)，采用脈沖掃描的平板LED的功耗有明顯的下降。運行頻率低于30Hz，人們可能感覺到光的閃爍，這會因人而異。表1給出更新周期為50Hz的點掃描、線掃描和幀掃描輸入功率減少量。

圖6

表1 由于掃描方式，相同亮度下不同的輸入功率

在實踐中，采用50Hz幀掃描，200m2平板LED的250kW發熱可能減到令人吃驚的37W(=250×103×1.5×10－4)，37W是實踐中可以接受的范圍。采用50Hz更新頻率的幀掃描，平板LED的尺寸(200m2)也減小到300cm2(18×18cm2)(=2×106×1，5×10－4)可接受的尺寸。作為照明源和顯示裝置的實用平板LED，就以下條件進行折中:(a)人眼對閃爍的感知、(b)平板LED的基片尺寸和(c)平板LED的加熱溫度。本報告只對改進方向提出建議，因為我們不是電子線路設計師。運行平板LED更新掃描的實踐優化是電工技術工作，還需要做進一步研究。

5.3.6 與LED運行相關的其他內容

由于LED的亮度隨著注入電流的增加而增加，許多作為照明源的商用LED采用折中的頻率以脈沖方式在大約200℃運行［7］。200℃時，在GaN層內的發光中心(含有雜質)慢慢從GaN層內的晶格中擴散出來。根據占用時間的概率分析，由于發光中心從GaN發射層的反響擴散，LED的光強度隨運行時間成指數衰減。已經發現，發光中心從GaN層反響擴散的閾值溫度大約為70℃±10℃。如果LED在低于70℃的溫度運行，則由于較少注入電子而使得亮度較低，但壽命較長。高于70℃會縮短LED的壽命，其結果是，運行LED時的發熱限制了LED的應用。

人腦能感覺到投射到眼睛視網膜上的光，大腦敏感地察覺到黑色(或深色)背景里一個點光源，它投射到視網膜局部狹小的點上。由于這個原因，人們在夜間能區別感知到微小的LED光，但是，在白天，人們無法看清同樣的LED光。

從人眼的視角看，圖像投射到視網膜的全部區域，銀屏上的亮度需要隨物體距離人眼的距離而變化［8］。在大約30cm的距離，人們可以觀察到便攜式電子裝置上的明亮圖像(比如:筆記本電腦、手機、i-phone、智能手機等等)。便攜式電子裝置的發光熒屏所需的亮度是自然景色亮度的十分之一，LED可能在電子裝置的發光熒屏上具有優勢。

5.4 OLED

我們可以計算OLED的η值。OLED是通過有機薄膜的堆起層制成的，其厚度遠高于LED(在亞微米到微米的范圍)。光產生于發射層中注入電子和空穴的復合，因此，OLED中產生的光子數量與OLED發射層中注入的電子數量成比例。如果我們忽略OLED的阻抗，OLED的ηq=100%，則最大η=44%。

OLED的層不是用超導制成，OLED運行中會有電阻，它產生焦耳熱。而且，現有的技術無法徹底清除OLED層中的無輻射中心。因此，OLED層中的焦耳熱可能制約其應用范圍。考慮到焦耳熱，OLED亮度的上限取決于將薄膜層電擊穿的電弧電流。

6 結論

作為對已報道LED樣品的計算結論，對LED的評估需要用單位面積(cm2)上的LED基片來做。LED的亮度與進入LED內的注入電子數量成比例關系，更亮的LED采用更高的電流運行，由此，計算出房間舒適亮度所需的發射光子數量。由于LED不是由超導制成，LED對電流而言不可避免地會有電阻。因此，也許可以這樣說，LED作為照明源用于居室的房間、辦公室、大型購物中心，受限于因電阻和電流所導致的焦耳熱。計算結果指出，如果平板LED采用幀掃描(脈沖掃描)運行，而不是直流運行，焦耳熱和對平板LED基片尺寸的要求能下降到可接受的水平。

致謝: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