基于白光LED的室内可见光通信系统发射端电路设计仿真(5)
2 白光LED的原理、结构与工作特性研究
在可见光通信系统中，发射端电路是至关重要的一环，而白光LED又是发射端电路的基础。本章即将通过研究LED发光原理来实现白光LED，并且阐述LED的物理特性和工作特性，为后面的发射端电路设计做好准备。
2．1 LED发光原理
图2.1 LED的发光原理
如图2.1所示，半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P 型半导体和N型半导体组成的品片，在P型半导体和N型半导体之间有一个PN结，因此它具有一般PN结的U-I特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；在外存一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是多重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然符合。当在发光二极管PN 结加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN结附近稍偏于P区的一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
2．2 白光LED的实现
目前的发光二极管一般只红、绿、蓝三种，不存在直接发射白光的LED，要得到白光LED，必须将红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光，前者为三芯片型，后者为三个发光管组装型。下面是两个不同的原理所生产的不同LED示意图。
图2.2 单芯片LED
如上图2.2(a)所示，这种是日亚化工（Nichia)以46Onm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长的黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。白光LED开发基础在于蓝光技术，目前在蓝光LED技术方面仍以日亚化工领先。
第二种是如图2.2(b)所示，主要是日本住友电工开发的以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现供不应求的现象。
三芯片型发光材料主要有GaAsP、ALGaAs、GaP:Zn2O 等，发红光；ALGalnP/GaAs、ALGalnP/GaAs、ALGalnP/GaP 等，发红光和橙光；GaP:N 发绿光；InGaN 发蓝光。红、绿、蓝LED封装在一个包内，光效可达 20lm/W，发光效率较高，显色性好。三原色LED 混合，通过红、绿、蓝三原色光调整可控制色彩。但三芯片型三原色混合成本较高，并有红、绿、蓝LED芯片光衰不同而产生变色现象等缺陷。
蓝色LED芯片发出的蓝光激发黄绿荧光粉发光，使蓝光与黄、绿光混合发出白光。蓝光InGaN单芯片激发YAG荧光粉，发出白光，光效可达15 lm/W。这种方法发光，发光效率高，制备简单，温度稳定性高，显色性也好。但色彩随角度而变，光一致性差。显然，根据色度学原理，用蓝光激发红光、绿光荧光粉也可发出白光。
紫外光或紫光LED激发三原色荧光粉，发出白光。显然也可选用两基色、四基色、五基色荧光粉，同样实现白光LED。这种方法的白光决定于荧光粉，易实现较高的显色性，白光制备方法也简便易行。但是有发光效率低，温度稳定性差，紫光容易遗漏等缺陷。
通过表2.1，可以了解白光LED的主要实现途径。
表2.1 白光 LED实现途径
方法 光源 发光材料 说明