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浅谈半导体照明

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  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中,LED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19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。
  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1907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20世纪60年代后期,是以GaP为基础材料的红光LED,只能用于显示,且发光效率也不高。可用于照明的高亮度白光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GaN 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灯也开始逐渐使用高亮度的LED加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,直到20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20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70%,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。

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