固体照明导论

前言
人类五十多万年前“发明”了燃烧的木头，1772年发明了煤气照明, 1876年的电照明，1938年的荧光灯——人造光源的这些突破带来了现代照明光源的发展。这些光源有居室照明用的钨丝白炽灯和节能荧光灯，工作场所照明用的荧光灯以及街道照明用的钠灯。目前21%的电能用于照明，如果换用高效的固体冷光源，这些能量中几乎一半可以节省下来。预计到2020年，固体照明累计节约的费用可达1150亿美元。固体照明用可见和紫外发光二极管(LED)，寿命可望超过100000小时。现在，LED是几乎整个可见光范围内效率最高的彩色光源。荧光粉转换白色LED性能上已经超过了白炽灯，预计到 2010年，效率可提高到3倍。从交通灯到道路标志，从汽车尾灯到户外显示器，从景观照明到重点照明, 作为下一次照明革命前驱的固体光源已经进入所有这些领域。

半导体物理学家、化学家、材料科学家、照明工程师和商务管理者为固体照明通力合作，使人类能够从这项令人激动的技术中获益。关于发光的半导体灯的各种主题已在科技文献中有所描述。Stringfellow和Carford (1997)以及 Mueller（1999a）所编的文集中描述了以AlGaAs、AlGaInP和AlInGaN半导体为基础的现代LED。Nakamura和Fasol（1997），Nakamura和Chichibu(2000)评述了LED技术的最新成就——AlInGaN基蓝色发光体。本书着重于半导体物理、技术、器件制备以及与新一代发光二极管——高亮度LED相关的首批大规模应用。

我们这本书把固体照明看作是照明技术固有的一个部分。在一个更广泛的背景下考虑高亮度LED。在光源和固体照明技术的范围中谈论高亮度LED的话题。我们也介绍了照明的历史，描述可见光的特征，讨论传统的照明装置，考虑用LED产生白光以及由固体引出光的问题。本书另一个特点是对固体照明已有和已经出现的应用进行了全面评述。

我们希望本书对固体照明的研发和应用感兴趣的技术人员、科学家、工程师以及商务人员和学生有所帮助。本书也可作为研究生和大学高年级学生固体照明课程的教科书以及半导体物理、材料科学、电子器件设计、照明技术和光学课程的补充参考书。

本书的补充材料可访问：ftp：//ftp wiley com/public/sci_tech_med/lighting。

感谢我们各自的妻子无限的耐心、理解、鼓励和支持。

	 
	 
	 

世界上不少国家和地区正投入大量人力和经费进行固体照明的研究和开发，新的照明时代——固体照明时代的黎明已经到来。本书在简述了照明的历史、光度学和色度学基础以及现有的照明技术后，对固体照明技术从三个方面做了介绍：固体照明的核心——半导体发光二极管的原理、结构和制备方法；发光二极管的光学设计——如何有效地把光从芯片上引出来；怎样用发光二极管得到照明所需要的白光。对固体照明及发光二极管的其他应用也做了述评。

本书可作为研究生和大学高年级学生固体照明课程的教科书或半导体物理、材料科学、电子器件设计、照明技术和光学课程的参考书，也可供从事固体照明研究、开发和应用的科学技术人员、管理人员及商务人员参考。

	 
	 
	 

目录

第1章照明的历史1

第2章视觉、光度学和色度学5

2.1人类的视觉5

2.2光度学6

2.3色度学8

2.4显色性11

第3章灯泡和灯管15

3.1白炽灯15

3.2卤钨灯16

3.3荧光灯17

3.4低压钠灯21

3.5高压放电灯22

3.5.1汞灯22

3.5.2高压钠放电灯23

3.5.3金属卤化物灯24

3.6无电极放电灯25

3.7照明的经济核算25

第4章全固体灯基础28

4.1注入发光28

4.1.1LED性能28

4.1.2电子和空穴的复合29

4.1.3pn结中的注入34

4.1.4异质结构和量子阱36

4.2高亮度LED的半导体材料体系40

4.2.1对材料的要求40

4.2.2AlGaAs材料体系42

4.2.3AlGaInP材料体系43

4.2.4AlInGaN材料体系45

4.2.5异质结构生长技术49

4.3高亮度LED中的电致发光52

4.3.1电致发光结构53

4.3.2电极和电流扩展57

4.3.3发射和电学特性60

第5章从发光二极管中引出光64

5.1光引出的基础64

5.1.1逸出角锥64

5.1.2分布Bragg反射器67

5.1.3吸收损耗和光子循环利用68

5.2平面矩形高亮度发光二极管的光子学69

5.2.1AlGaAs红色发光二极管69

5.2.2AlGaInP发光二极管71

5.2.3AlInGaN发光二极管74

5.3非矩阵和非平面结构中光子的输出耦合78

5.3.1异形芯片78

5.3.2外输出耦合器80

5.3.3非谐振腔发光二极管81

5.4光子态密度工程82

5.4.1谐振腔发光二极管83

5.4.2表面等离子增强型发光二极管87

5.4.3光子晶体88

第6章固体白光灯92

6.1人造白光的优化92

6.1.1发光效率和显色性的折衷92

6.1.2二基色体系94

6.1.3多基色体系94

6.2荧光粉转换LED96

6.2.1二基色荧光粉转换LED96

6.2.2多基色荧光粉转换LED99

6.3多芯片LED101

6.3.1二基色多芯片LED102

6.3.2多基色多芯片LED102

第7章固体灯的应用105

7.1发光二极管驱动电路105

7.1.1发光二极管列105

7.1.2用电池工作的发光二极管108

7.1.3大功率脉冲驱动108

7.2强光信号灯109

7.2.1交通信号灯109

7.2.2汽车信号灯111

7.2.3其他信号灯113

7.3显示器114

7.3.1字符显示器115

7.3.2全色大屏幕电视116

7.4医学应用118

7.4.1新生儿黄疸的光疗118

7.4.2光动力理疗119

7.4.3牙科复合材料的光固化120

7.4.4季节性不适应证的光疗121

7.5光合作用121

7.5.1作物生长122

7.5.2光生物反应124

7.6光学测量125

7.6.1荧光传感器126

7.6.2时域和频域光谱128

7.6.3其他光学应用130

7.7照明130

7.7.1局部照明131

7.7.2普通照明133

7.7.3固体照明的未来135

参考文献136