【特约】超量子理论在LED照明中的应用[2]

　　二、超量子理论的内涵

　　1900年德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)提出，像原子作为物质构成单元一样，“能量子”(量子)是能量的最小单元，由此奠定了现代物理的两大基石之一的量子理论。1905年爱因斯坦把该理论引进光学，提出光量子概念，并解释了光电效应问题，因此在1921年获得诺贝尔奖。1907年英国的亨利·约瑟夫·让德(Henry Joseph Round)发现了碳化硅材料的电致发光现象，1924年俄罗斯奥莱格·洛塞夫(Oleg Losev)发现了对二极管的P型半导体和N型半导体施加电压后发光的现象。LED原理是建立在上述理论和发现的基础之上的。

　　LED是发光二极管简称，由两部份组成：含空穴的P型半导体，含电子的N型半导体，当中形成P—N结。当电流通过时，电子和空穴复合，发出光量子。光的波长(颜色)由P—N结的材料决定，兰色发光二极管涂上黄色荧光粉可得白光。

　　那么如何才能取得照明系统由电能转换成有效光量子的效率最大化呢?

　　让我们从LED芯片层面量子效率的表述讲起：

　　内量子效率(IQE：Internal Quantum Efficiency )

　　光析出率(LEE：Light Extraction Efficiency)

　　外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)

　　参数与定义表述如下：

　　内量子效率=单位时间内有源层发射的光子数/单位时间内注入到有源层的电子子数

　　IQE=(Pint/(hv))/(I/e)=Pint/(hvI/e)=有源层内发射出的光功率/注入到有源层的光功率。

　　由于注入到有源层的光功率是由注入到有源层的电功率转化而成的，因而可表述为：

　　注入到有源层的光功率=输入功率*驱动效率*墙插效率

　　外量子效率=单位时间内出射到空间的光子数/ 单位时间内注入到有源层的电子子数

　　EQE=(P/(hv))/(I/e)=P/(Pin*ηD*ηwpe)=Pint/(Pin*ηD*ηwpe)·(P/Pint)=IQE·LEE=内量子效率·光析出率

　　外量子效率表征了LED将电能转化为外界可见光能的能力，外量子效率越高则发光效率越高。

　　上式中, Pint是有源区内发射出的光功率J/s(焦耳/秒);hv是单个光子能量;h是普朗克常数=6.626×10-34J·s(焦耳秒);v是光波的频率Hz(1/s，1/秒);I/e是单位时间内注入到有源层的电子子数;I为注入电流Q/s(库仑/秒);e是元电荷=1.6021892×10-19库仑;Pin是输入电功率;ηD是驱动效率;ηwpe是墙插效率，反映注入到有源层的电功率转化成光功率的效率J/(sW)((焦耳/秒)/瓦);P是发射到自由空间的光功率J/s(焦耳/秒)。

　　灯具光通Φ=EQE·Pa(active layer)·ηwpe·ηd(heat)·

　　ηp(packagestyle,structure,material,phosphor,module,light mix etc.)·

　　ηf(heat sink,light distribution) (2-1)

　　=IQE·LEE·Pin·ηD·ηwpe·ηd·ηp·ηf (2-2)

　　以上(2-1)(2-2)式中各项参数符号分别与(2-3)(2-4)式中的相关项对应。

　　灯具光通=外量子效率*注入到有源层的电功率*墙插效率*

　　芯片热效率*封装效率(封装形式、结构、材料、荧光粉、

　　光源组合模块、混光方式等)*灯具效率(光源散热、配光形式) (2-3)

　　=内量子效率*光析出率*输入功率*驱动效率*墙插效率*芯片热效率*封装效率*灯具效率 (2-4)

　　灯具光效(Luminaire Efficacy)=(灯具光通Φ/输入功率Pin)

　　Φ/Pin=IQE·(LEE·ηD·ηwpe·ηd·ηp·ηf)=内量子效率*

　　(光析出率*驱动效率*墙插效率*芯片热效率*封装效率*灯具效率) = IQE·QUE (2-5)

　　上述(2-5)式称为超量子公式,括号中的各项参数在威廉超量子理论中被命名为量子利用效率(Quantum Utilization Efficiency,QUE),

　　或威廉量子利用效率(William's Quantum Utilization Efficiency,WQUE)

　　QUE = LEE·ηD·ηwpe·ηd·ηp·ηf

　　*光析出率LEE与LED光源封装形式、结构、材料等有很大的关系，墙插效率与LED工作结温有关，所以我们将光析出率，墙插效率都归入到量子利用效率。目前为止，尚未发现术语“量子利用效率”被使用在其他领域，若发现已被使用，则本论文将改用WQUE。

　　威廉超量子理论的内涵:

　　量子利用效率(QUE)是超量子理论内涵的函数表述。表征了LED照明灯具将电能转化为有效光量子的能力，当LED芯片内量子效率相同时，量子利用效率越高则LED照明灯具有效光效越高。

　　威廉超量子理论:

　　通过量子利用效率最大化，使照明系统由电能转换成有效光量子的效率最大化。有效光量子定义为到达被照物体上的符合照明标准、生理健康、有超长寿命或满足设计寿命以及能营造舒适视觉环境等要求的光量子。

　　或表述为：

　　通过量子利用效率最大化，使照明系统由电能转换成到达被照物体上的符合照明标准、生理健康、有超长寿命或满足设计寿命以及能营造舒适视觉环境等要求的光量子的效率最大化。