固體光源在實(shí)際應(yīng)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(xí)慣，使人眼適應(yīng)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(dāng)于大約1021個(gè)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(dāng)于大約1021個(gè)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(bào)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(nèi)每個(gè)電子產(chǎn)生3×1010個(gè)光子(或者說ηq=103)，具有超高的量子效率而沒有發(fā)熱的問題［2］。25英寸的CRT在熒光屏(1875cm2)上以1021個(gè)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(fā)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(fā)射出特殊波長的可見光光子3×1025個(gè)。目前，作為半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)結(jié)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(yùn)動(dòng)特性，SLS通過處于發(fā)射層的發(fā)光中心內(nèi)注入電子與空穴的復(fù)合來產(chǎn)生光，因此，如果沒有固體內(nèi)運(yùn)動(dòng)電子的干擾，SLS所發(fā)射光子的數(shù)量相當(dāng)于注入電子的數(shù)量。這意味著理想SLS的最大量子效率應(yīng)該是ηq=1.0。SLS與CRT和FL在ηq值和屏面積上有巨大的區(qū)別，由于ηq=1.0太小，為了獲得適當(dāng)?shù)牧炼?，SLS需要特別大數(shù)量的注入電子。所建議的SLS是電致發(fā)光顯示(EL)、發(fā)光顯示(LED)和有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)，本報(bào)告將量化計(jì)算ηq值、最大能量轉(zhuǎn)換效率(η值)以及FED、EL、LED和OLED在實(shí)際應(yīng)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(fā)結(jié)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(gè)包含發(fā)光中心的發(fā)射固體層，注入電子和空穴在發(fā)光中心的發(fā)射層內(nèi)復(fù)合而產(chǎn)生光。如果情況確實(shí)如此，對于注入SLS的每個(gè)電子，SLS可能有最大的ηq=1.0。

已經(jīng)發(fā)表的報(bào)告假設(shè)SLS的ηq=1.0，由于從SLS發(fā)射的光為肉眼可見，該光可能作為照明源?？梢姽鈱τ谖覀儊碚f是有形的物體，這導(dǎo)致在光強(qiáng)度測量上的混亂。我們可能確定從SLS發(fā)光中心發(fā)射光(光子)的總數(shù)。光有三個(gè)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?yàn)榘l(fā)射光帶有能量，從SLS中發(fā)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(zhì)因數(shù)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(fā)射光子(亮度)應(yīng)該用cd m－2來量度，更精確的，發(fā)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(bào)告對SLS進(jìn)行評估，然而，對光強(qiáng)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(zhuǎn)換效率便由lm/W給出，這里W是輸入電能。根據(jù)色彩科學(xué)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(gè)物理學(xué)單位(如:能量)，這意味著流明或勒克斯的測量沒有科學(xué)的介入。流明可用于生產(chǎn)實(shí)踐中的質(zhì)量控制，盡管在許多報(bào)告中用lm/W，但在本報(bào)告中，我們不象已有報(bào)告那樣采用lm/W來作為SLS的能量轉(zhuǎn)換效率的參考。

3 固體中的電流

SLS利用固體中的運(yùn)動(dòng)電子和空穴，關(guān)于電子的科學(xué)研究始于1800年，亞歷山大伏打在1800年發(fā)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(dǎo)電原理。伏打電池的缺點(diǎn)是，在使用和未使用的伏打電池中都會(huì)有能量流失(放電)，在那個(gè)時(shí)候，伏打電池流失電能的現(xiàn)象被材料科學(xué)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(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)電子的方向還是被明確地檢測出來了，電子被肉眼所見。關(guān)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(dǎo)線提供電子，陰極(－)從金屬導(dǎo)線收集電子。圖1顯示一個(gè)伏打電池和電子在(a)硫酸(H2SO4)溶液中流動(dòng)的方向，以及(b)連接陰極(鋅金屬)和陽極(銅金屬)的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。原子(或離子)占據(jù)在晶體內(nèi)晶格的位置，電子在其間的尺度狹窄空間中運(yùn)動(dòng)。

SLS的材料不是用具有零阻抗的超導(dǎo)制成，SLS不可避免地存在由于占據(jù)晶格位置原子的熱振動(dòng)干擾而產(chǎn)生的電子阻抗。對于一個(gè)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(yùn)行中不可避免地會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。運(yùn)行中焦耳熱的產(chǎn)生可能制約SLS的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 伏打電池硫酸溶液中的電流含有阻抗的導(dǎo)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(xiàn)混淆，混淆開始于熒光燈(FL)的引入。傳統(tǒng)上計(jì)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(dǎo)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(diǎn)。傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)器件(穩(wěn)壓器或鎮(zhèn)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(tǒng)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(qū)動(dòng)裝置。與鎢絲燈泡相反，熒光燈管通過驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行的，其額定電力消耗Wtube(vtub×itube)不包括驅(qū)動(dòng)裝置的功耗。據(jù)此，Wtube給出的的功耗低于驅(qū)動(dòng)裝置輸入端檢測到的W(vi)。消費(fèi)者支付的是W(vi)的費(fèi)用，而不是Wtube的費(fèi)用，依據(jù)不同的生產(chǎn)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(qū)動(dòng)裝置(vi)輸入端(B)FL管功耗的傳統(tǒng)確定方式

SLS與FL管的方式類似，SLS的功耗(W)不包括驅(qū)動(dòng)裝置的功耗。實(shí)用的平板SLS通過脈沖發(fā)生器發(fā)生的脈沖和有時(shí)會(huì)有的冷卻裝置運(yùn)行，在本報(bào)告中，我們采用SLS自身的功耗W來計(jì)算SLS的輸入能量，理由是不同的SLS生產(chǎn)商其驅(qū)動(dòng)裝置的功耗有明顯的差異。需要注意的是某些SLS，如點(diǎn)光源，其運(yùn)行不需要驅(qū)動(dòng)裝置，但它們只是一種點(diǎn)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(zhuǎn)化效率

5.1 場致發(fā)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(fā)射顯示(FED)［3］，F(xiàn)ED并不屬于SLS。但是，電子源通過場致發(fā)射(FE)陣列在晶體板上產(chǎn)生，晶體板是采用最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)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(chǎn)生機(jī)制與CRT相同，電子源是分布在平板上的尖點(diǎn)(小于0.1μm)陣列構(gòu)成的冷陰極(在顯微鏡下可見)。FE陣列是通過最先進(jìn)的LSI(大規(guī)模集成電路)技術(shù)制成的，作為一個(gè)樣例，圖4顯示FE陣列的照片。對FED熒光屏要求的光子數(shù)量是1021個(gè)光子cm2s－1［4］，我們假設(shè)發(fā)射光子的平均能量2.4電子伏特(eV)(530納米(nm))，1eV相當(dāng)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(jì)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，F(xiàn)ED熒光屏上的輝光電流密度可從能量(380W cm－2)中計(jì)算出來。假設(shè)CRT(和FED)熒光屏的量子效率為103，如果FED的陽極電壓是1kV，F(xiàn)ED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(dāng)于從FE陣列發(fā)射電子的密度，F(xiàn)E陣列必須以380 mAcm－2的密度發(fā)射電子。由于來自有電阻的尖點(diǎn)(小于0.1 μm)的電子密度(380 mAcm－2)是非常高的，F(xiàn)E陣列的尖點(diǎn)會(huì)被焦耳熱融化，因此，尖點(diǎn)變圓。FE的圓頂顯著減少電子發(fā)射。FE圓頂所發(fā)射的電子數(shù)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(jī)構(gòu)報(bào)告FED消失。然而，仍然有那些不從FED的FE陣列計(jì)算電流密度的作者報(bào)告期望改進(jìn)亮度。作為科學(xué)，期望永遠(yuǎn)不會(huì)自動(dòng)變成現(xiàn)實(shí)，真實(shí)的產(chǎn)品只能靠科學(xué)來支撐。

圖4 板上場致發(fā)射陣列掃描電子顯微鏡照片

5.2 電致發(fā)光器件

在五十年代，EL器件被提議為新的SLS光源，從那時(shí)起，取得了許多的研究成果。在六十年代早期，一個(gè)美國科學(xué)家對他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到奇怪，他仔細(xì)檢查了EL器件的提議，他發(fā)現(xiàn)在EF器件的提議中η值的一個(gè)簡單計(jì)算錯(cuò)誤，EF器件正確的η值是建議值的十分之一。在那時(shí)，計(jì)算既不使用電子計(jì)算器，也不使用個(gè)人電腦，計(jì)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(yīng)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(guān)亮度計(jì)算的錯(cuò)誤沒有在公共媒體上進(jìn)行報(bào)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(jīng)發(fā)布的EL器件仍然吸引著那些對EL器件所需η值沒有進(jìn)行計(jì)算的人，近年來，他們的定性工作結(jié)論在許多刊物上發(fā)表。關(guān)于EL器件的研究持續(xù)了50年，但實(shí)用的EL器件應(yīng)用始終被限制在低照度的領(lǐng)域。

5.3 發(fā)光二極管

在光源的商業(yè)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(lán)色、紫羅蘭和紫外)、GaP(紅色、黃色、綠色)、ZnSe(綠色和藍(lán)色)、AlGaInP(橘紅色、桔黃色、黃色和綠色)、鉆石C(紫外)、ZnO(藍(lán)色、紫羅蘭、近紫外)，它們建在SiC、Al2O3或者Si的平臺(tái)(基片)上。我們采用已經(jīng)發(fā)布的，建于Al2O3［4，5］基片上基于InGaN/AlGaN的發(fā)射白光的LED(以下稱LED)做如下計(jì)算。圖5作為樣例，說明LED原件的結(jié)構(gòu)。

圖5 LED器件的結(jié)構(gòu)

在計(jì)算中，我們采用參考［4，5］中的LED參數(shù)，它們是(a)輸入電壓、(b)注入電子流和(c)電阻。在LED的發(fā)射層中，注入電子和空穴在發(fā)光中心(量子阱)內(nèi)發(fā)生復(fù)合而產(chǎn)生光(光子)，因此，從LED發(fā)射的光子數(shù)量直接與注入發(fā)射層的電子數(shù)量相對應(yīng)。限于我們的觀察，未發(fā)現(xiàn)對于單個(gè)LED原件(每cm2/s)，有(a)注入其中的電子數(shù)量和(b)發(fā)射光子數(shù)量計(jì)算的報(bào)道。因此，有關(guān)LED的報(bào)道，從沒有將LED作為房間的照明源所需要的運(yùn)行條件進(jìn)行過量化計(jì)算。

在計(jì)算LED所需運(yùn)行條件之前，我們在假設(shè)ηq=1.0的前提下已經(jīng)計(jì)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(fù)合，盡管在實(shí)際的LED中不可能發(fā)生。

我們計(jì)算最新已報(bào)道在1mm2基片上的單個(gè)LED元件的運(yùn)行條件，我們假設(shè)施加到LED元件上的輸入電壓和電流是在連接LED電極的導(dǎo)線處測量到，報(bào)道給出最高亮度輸出時(shí)的運(yùn)行條件是2.8V和0.1A每1mm2基片。電流的科學(xué)評估應(yīng)該源自電流密度，這就是LED基片在單位區(qū)域(cm2)里，而不是1mm2基片的電流。LED的電流密度計(jì)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(gè)電子有1.6×10－19庫侖電荷。然后，計(jì)算10 Acm－2電子的數(shù)量。10A電流含有6.3×1019個(gè)電子［=10(1.6×10－19)－1(cm2s)－1］，通過在發(fā)射層中電子與空穴的復(fù)合，從LED中發(fā)出光。每個(gè)電子空穴對復(fù)合產(chǎn)生一個(gè)光子，因此，從LED發(fā)射出的光子數(shù)量與每單位時(shí)間注入的電子數(shù)量直接相應(yīng)，與所加載的電壓無關(guān)。從LED的單位基片上發(fā)射出的光子數(shù)量是6.3×1019個(gè)光子(cm2s)－1。

在假設(shè)ηq=1.0的情況下，這表示所有的注入電子都在發(fā)光中心復(fù)合，我們可以計(jì)算從LED發(fā)出的藍(lán)光的能量。藍(lán)光含有2.7eV的能量，從LED發(fā)射的藍(lán)光的能量計(jì)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(jì)算藍(lán)光的理想能量轉(zhuǎn)換效率的最大值(η)，藍(lán)光LED的最大η值計(jì)算為η=89%［=100×25W×(28 W)－1］。計(jì)算最大η值時(shí)不考慮LED運(yùn)行時(shí)焦耳熱的損耗，所有注入電子轉(zhuǎn)化為光子。這不是實(shí)際的LED，因?yàn)長ED都有電阻。

在現(xiàn)實(shí)中，LED的固體層不是用沒有電阻的超導(dǎo)制成，LED層有電阻。已報(bào)道LED在基片cm－2的阻抗計(jì)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)?；谧杩沟挠?jì)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(xiàn)實(shí)的LED。LED發(fā)射光，我們必須解決LED運(yùn)行條件的謎題。

5.3.1 已報(bào)道LED的實(shí)際量子和能量轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

如果我們采取已報(bào)道的ηq=0.8［5］，進(jìn)入發(fā)射層中的注入電子的80%產(chǎn)生光，確定ηq的值需要注入電子的數(shù)量和每個(gè)指定LED基片所發(fā)射光子的數(shù)量。在報(bào)道［5］中，我們找不到ηq=0.8的確定過程，我們無法確認(rèn)ηq=0.8。無論如何，我們用ηq=0.8進(jìn)行如下計(jì)算。

發(fā)射藍(lán)光光子的數(shù)量計(jì)算為5.0×1019個(gè)光子(cm2s)－1(=6.3×0.8×1019)，藍(lán)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(jì)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(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱，包括從藍(lán)光變成白光(斯托克司頻移)而喪失的熱。所發(fā)射光子的數(shù)量白光與藍(lán)光相同，是5.0×1019(cm2s)－1。對于在房間內(nèi)1cm2尺度舒適照度所需的1021個(gè)光子而言，LED所發(fā)射的白光光子的數(shù)量僅為其0.05倍{=5.0×1019×10－21}。

5.3.2 LED基片的串聯(lián)和并聯(lián)

來自1cm2基片上單個(gè)LED的光作為照明源太低了(僅為5%)。LED實(shí)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(yùn)行時(shí)需要將100個(gè)LED連接在一起。如果將100個(gè)1mm2基片的LED并聯(lián)，在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。每個(gè)LED沒有嚴(yán)格相同的電阻，電流會(huì)選擇100個(gè)并聯(lián)在一起的LED中電阻最小的那個(gè)，只有被選的那個(gè)LED會(huì)發(fā)光，并被焦耳熱立即毀壞。對于并聯(lián)來說，需要100個(gè)LED的電阻都相同。通過對每個(gè)LED串聯(lián)一個(gè)外加電阻(Rext)，實(shí)現(xiàn)了LED電阻的等同化。內(nèi)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(yīng)該在±0.3%的范圍。Rext通常是Rint的25倍，Rext計(jì)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(lián)在一起的100個(gè)LED全部發(fā)光。

這里有一個(gè)嚴(yán)重的問題，如果每個(gè)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(jì)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(gè)LED的總R是R的百分之一(=R/100)。由于LED的并聯(lián)，電阻減少為Rn－1，這里n是并聯(lián)LED的數(shù)量，并聯(lián)LED的電流I與LED的數(shù)量成線性增長。直流功耗由W=VI給出，運(yùn)行LED所加載的電壓是固定的，在并聯(lián)LED中，功耗將與其數(shù)量成線性增長，并聯(lián)LED不是節(jié)能光源。

另一種方式是沒有Rext的LED串聯(lián)。對于指定的板，大數(shù)量的LED要在上面進(jìn)行串聯(lián)有實(shí)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(gè)串聯(lián)LED都會(huì)由于焦耳熱(10W)而發(fā)熱。串聯(lián)的LED在發(fā)光強(qiáng)度上有優(yōu)勢，LED與導(dǎo)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(bào)道的LED原件作為房間表面物體照明，我們現(xiàn)在可以計(jì)算對LED基片區(qū)域的要求。

對于房間里1cm2單位表面區(qū)域舒適照明所需要的光子數(shù)量［1021個(gè)光子(cm2s)－1］，單個(gè)LED所發(fā)出白光的光子數(shù)量［5.0×1019(cm2s)－1］，僅為其5%［=5.0×1019×10－21］。所需光子的數(shù)量隨著房間的尺寸而改變，照明一個(gè)5×5m2(2.5×104cm2)房間的光子數(shù)量計(jì)算為2.5×1026(=2.5×104×1×1021)。如果使用已報(bào)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(gè)問題。來自LED平板的焦耳熱是LED應(yīng)用的主要問題。

5.3.4 LED作為照明源的問題是發(fā)熱

正如在第三章所討論的，不帶Rext的單個(gè)LED原件運(yùn)行時(shí)，單位尺寸(1cm2)LED在發(fā)光的同時(shí)，會(huì)對LED層和熒光粒子以10W的功率進(jìn)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(fā)熱時(shí)運(yùn)行LED的嚴(yán)重問題。日本政府規(guī)劃擬定的目標(biāo)是LED燈的亮度達(dá)到FL管的兩倍，且更節(jié)能［3］。12年后，我們沒有此類產(chǎn)品在手，政府規(guī)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(gè)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(yùn)行時(shí)熱度的方法建議

如果平板LED采用低頻脈(幀)掃描運(yùn)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(diǎn)掃描、線掃描和幀掃描方式運(yùn)行時(shí)，能量減少的比率，掃描方式節(jié)能的詳情見參考文獻(xiàn)［6］。通過視覺殘留的影像感知，觀察同樣亮度的點(diǎn)掃描(直流運(yùn)行)，采用脈沖掃描的平板LED的功耗有明顯的下降。運(yùn)行頻率低于30Hz，人們可能感覺到光的閃爍，這會(huì)因人而異。表1給出更新周期為50Hz的點(diǎn)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(shí)踐中，采用50Hz幀掃描，200m2平板LED的250kW發(fā)熱可能減到令人吃驚的37W(=250×103×1.5×10－4)，37W是實(shí)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(shí)用平板LED，就以下條件進(jìn)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(bào)告只對改進(jìn)方向提出建議，因?yàn)槲覀儾皇请娮泳€路設(shè)計(jì)師。運(yùn)行平板LED更新掃描的實(shí)踐優(yōu)化是電工技術(shù)工作，還需要做進(jìn)一步研究。

5.3.6 與LED運(yùn)行相關(guān)的其他內(nèi)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(yùn)行［7］。200℃時(shí)，在GaN層內(nèi)的發(fā)光中心(含有雜質(zhì))慢慢從GaN層內(nèi)的晶格中擴(kuò)散出來。根據(jù)占用時(shí)間的概率分析，由于發(fā)光中心從GaN發(fā)射層的反響擴(kuò)散，LED的光強(qiáng)度隨運(yùn)行時(shí)間成指數(shù)衰減。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)光中心從GaN層反響擴(kuò)散的閾值溫度大約為70℃±10℃。如果LED在低于70℃的溫度運(yùn)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(huì)縮短LED的壽命，其結(jié)果是，運(yùn)行LED時(shí)的發(fā)熱限制了LED的應(yīng)用。

人腦能感覺到投射到眼睛視網(wǎng)膜上的光，大腦敏感地察覺到黑色(或深色)背景里一個(gè)點(diǎn)光源，它投射到視網(wǎng)膜局部狹小的點(diǎn)上。由于這個(gè)原因，人們在夜間能區(qū)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(wǎng)膜的全部區(qū)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(jī)、i-phone、智能手機(jī)等等)。便攜式電子裝置的發(fā)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(fā)光熒屏上具有優(yōu)勢。

5.4 OLED

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

OLED的層不是用超導(dǎo)制成，OLED運(yùn)行中會(huì)有電阻，它產(chǎn)生焦耳熱。而且，現(xiàn)有的技術(shù)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(yīng)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(jié)論

作為對已報(bào)道LED樣品的計(jì)算結(jié)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(jìn)入LED內(nèi)的注入電子數(shù)量成比例關(guān)系，更亮的LED采用更高的電流運(yùn)行，由此，計(jì)算出房間舒適亮度所需的發(fā)射光子數(shù)量。由于LED不是由超導(dǎo)制成，LED對電流而言不可避免地會(huì)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(dǎo)致的焦耳熱。計(jì)算結(jié)果指出，如果平板LED采用幀掃描(脈沖掃描)運(yùn)行，而不是直流運(yùn)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