浅谈半导体照明

蓁ＶＡ　蘩　浅谈半导体照明　于冰　辽宁沈阳　１１００３４）　（沈阳师范大学物理科学与技术学院物理学专业摘要：ＬＥＤ具有节能、寿命长等优点，已被广泛应用于背景照明、显示照明以及景观照明ｔｆＩ，Ｉ　ＥＤ作为一种照明装置应用于普通照明时，也必须满足照明设　计标准对普通照明的要求。因此，对半导体照明的技术原理与应用前景进行分析。　关键词：　半导体；ＬＥＤ；照明　中图分类号：ＴＮ３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－－７５９７（２０１０）０３１００２８－－０１　半导体工业于上世纪五十年代产生萌芽，半导体技术对人类物质文　础材料的红光ＬＥＤ，只能用于显示，且发光效率也不高。可用于照明的高　亮度自光ＬＥＤ诞生于１９９７年。从发现半导体的电致发光到实现半导体照　明，经历了整整一个世纪。这些器件的核心部分是以ｓｉｃ为衬底的（３ａＮ　ＬＥＤ但其白光并非ＧａＮ　ＬＥＤ所发，而是ＧａＮ　ＬＥＤ所发射的蓝光和近紫外光激　发荧光粉的结果。高亮度的彩色ＬＥＤ仍被用作指示灯，当然还有手机等电　子屏幕的背景照明等。　从应用角度看，ＬＥＤ产业的发展历程可以分为３个阶段：①指示应用　阶段；②信号、显示应用阶段：③通用照明应用阶段。目前，ＬＥＤ的指　示应用已经十分成熟；作为信号、显示等方面的应用还需要进一步的发　明和精神文明的进步起着重大的作用。上世纪六十年代，半导体收音机　进入了寻常百姓之家，半导体成了半导体收音机的代名词。其后数十　年，人们仍习惯于把这种只装备有为数不多的半导体器件的简单装置称　为半导体。而对具有成百上千乃至难以数技的电视机、计算机、移动电　话，反而没有多人人能把他们和半导体自然地连接到一起。据统计，世　界人均晶体管占有量本世纪初已经有超过１亿只。世界已经发展到应该用　半导体器件的拥有量来评价一个家庭、一个办公室乃至一个机构的文明　程度的阶段。有人把半导体技术在２０世纪社会与科技进步中的作用于蒸　汽机在ｌ９世纪所起的作用相比，把受半导体推动的信息时代的到来称为　新的工业革命的开始。　绝大多数教科书习惯于按材料导电能力的高低来区分导体、半导体　和绝缘体，把电阻率介于金属和绝缘体之间的材料定义为导体。这固然　是一个非常容易被接受的定义，但是又比较模糊和欠准确。首先，半导　展：作为照明应用，则处于发展很快的起步阶段。高亮度的ＬＥＤ在我们身　边几乎随处可见。马路上，除了固定不动的交通指示灯外，车辆的照明　和警示灯具也开始半导体ＬＥＤ化，尤其在高位刹车灯上。节能、环保和长　寿更是半导体ＬＥＤ的三大优势。ＬＥＤ的先天优势使其与太阳能电池成为天　作之合。使用太阳能电池为半导体ＬＥＤ供电，可以使供电系统大为简化，　降低供电系统的制造成本以及本身的能耗，使可靠性大为提升。现在无　人值守的路口的交通信号灯、机场跑道灯以及高档住宅和度假村的庭院　体本来就是一种电阻率易变其变化范围很大的材料。某些结构完整且不　包含杂质或杂质浓度极低的高纯结晶态半导体，以及大多数未掺杂的非　晶体半导体，室温下也会具有跟绝缘体不相上下的高电阻率；而当他们　含有足够高浓度的某些特殊杂质时，其电阻率又会下降到金属电阻率的　范畴，甚至比某些导电性欠佳的金属电阻率还低，这种现象称为电阻率　的结构和组分敏感性。这种现象对一些宽禁带半导体尤为明显。一种材　料之所以导电，是因为其中含有一定密度能自由移动的电荷，即载流　子。金属的载流子是自由电子，其密度很高，半导体除了带负电的自由　电子外，还可能有带正电的、被称为空穴的载流子。掺杂能够提高半导　灯也开始逐渐使用高亮度的ＬＥＤ￣ＪＮ太阳能电池构成的全半导体系统替代。　半导体照明技术的最终目标是在高亮度的ＬＥＤ的基础上制出白光光　源，以替代普通荧光灯。从把红外ＬＥＤ的长波发射向上转换为宽带的可见　光谱的尝试开始，经过很多人的长期努力，直Ｎ２ｏ世纪末高亮度短波长　ＬＥＤ问世，实用的白光ＬＥＤ才成为现实。这是因为若用两种或三种颜色混　合成白光，短波长ＬＥＤ是必不可少的基础。因此，从实用出发，这些固体　发光器件还必须做到高效率和高显色性相结合。目前，白光ＬＥＤ主要有两　体材料的导电性，首先是因为掺杂能够提高半导体载流子的密度。但　是，对一种半导体材料而言，有些杂质能使其获得自由电子，另一些杂　质能够使其获得自由空穴，而当这两种杂质同时存在于一体时，他们对　提高载流子密度的作用就会相互抵消。　半导体的导电能力还与某些外部条件相关。与金属和绝缘体相比，　半导体的电阻率对光照、磁场和电场等外部条件的敏感性要强的多，因而　从本质上说，半导体是导电性明显依赖于材料的状态和环境、因而可以灵　活改变的一类特殊物质。正是因为有这样灵活多变的特点，半导体才可以　种：一种是根据色坐标图用不同颜色的高亮度ＬＥＤ芯片混合封装而成的多　芯片ＬＥＤ，另一种是将一个短波长ＬＥＤ芯片封装在涂有荧光粉的透明管壳　之中而形成的光转换ＬＥＤ。ＰＣＬＥＤ中芯片发射的高能光子被荧光粉向下转　换为合成白光所需要的多种长波光。Ｍｃ白光ＬＥＤ至少由两个高亮度有色　ＬＥＤ芯片组成，照明光全部由芯片发出。　半导体照明产业的兴起是半导体技术和电光源技术发展到一定阶段　的必然结果。随着半导体技术在２Ｏ世纪末的长足进步和人类对高效、节　能照明技术的不断探索，半导体照明技术有可能在不远的将来迅速取代　日光灯，成为应用面最广的日常照明灯具。半导体照明产业目前在美　用来制造晶体管、二极管那样的电子器件，而导电性难以明显改变的金属　盒绝缘体却做不到。可以将半导体定义为这样一类材料，他们在绝对零度　时无任何导电能力，但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等　外部条件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感。　国、日本、德国等发达国家发展很迅速，半导体照明的大部分核心技术　和专利掌握在这些国家的大企业手中。我国台湾的ＬＥＤ产业也发展很快，　其芯片制造和封装已占到全球产量的６０％，大陆地区的半导体产业也快速　发展，达到或接近世界先进技术水平。但我国半导体照明产业整体技术　水平和发达国家和地区差距过大，产量和市场份额较低，但是进步很　快。我国半导体照明产业面临难得的历史机遇，我国ＬＥＤ封装和应用产品　产量占全球的７Ｏ％，发挥我国在封装、模组与灯具等半导体照明下游产业　的相对优势，研发若干种市场需求大的照明产品，可快速打开半导体照　明应用市场，从而推动我国半导体照明技术的整体进步。　半导体的特性使其可实际应用于制造发光二极管（ＬＥＤ）。半导体　ＬＥＤ因其较强的单色性而主要应用于显示技术，不适宜直接用于照明。但　是利用短波长ＬＥＤ的紫外和蓝光辐射激发红、绿、蓝荧光粉可以产生理想　的白光，从而做成半导体灯。早在ｌ９０７年，英国电子工程师朗德就发现　了ＳｉＣ的电注入发光现象，４０余年后，世界第一支蓝光ＬＥＤ问世，但亮度　很低，不能实用。ＬＥＤ的商业应用始于２Ｏ世纪６０年代后期，是以ＧａＰ为基