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半导体照明与LED产业

2013-06-19 11:56
林契于宸
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  资料显示,人类用于照明的电力消耗是十分巨大的。世界照明用电量约占全世界电力总消耗的20%。而且,经济越发达的国家,照明用电量所占的比例越大。因此,节约照明用电已经为世界各国所高度重视。近十多年来,许多发达国家纷纷提出了各自的新世纪照明实施计划。

  2008年我国照明用电量已达到4100亿千瓦时,照明用电量已超过全国电力总消耗的12%,此比例还在逐年攀升。而且,就全社会而言,目前广泛使用的照明电器仍然是以低效照明灯具为主,因此节约照明用电潜力很大。实施“半导体照明工程”计划正是节约照明用电的重要举措。

  一.半导体照明产业概述

  所谓“半导体照明”是指,利用半导体发光二极管(LED,LightEmittingDiode)作为新型电光源的通用照明。换句话说,就是在普通照明场合,用半导体照明灯(即LED灯)来替代白炽灯和其它低效率照明灯具。LED是半导体照明的核心,所以半导体照明产业也可称为LED产业。

  1.半导体照明的基本知识

  众所周知,物质是由原子组成的,原子又是由原子核和核外电子组成的,核外电子总是不停地沿着离原子核不同距离的近圆形轨道绕原子核运动。电子运动的轨道半径越大,它所具有的能量就越大。当物质被加热后,原来在较小半径轨道上运动的电子将会得到一定的能量,并跳到半径较大的轨道上继续绕原子核运动(这个过程称为热激发)。但是,这些电子是不稳定的,它们很快又会跳回到较低能量的轨道上来,同时,将它们所得到的多余能量以发射光子的形式释放出去。这就是物质发光的最基本原理。火焰发光是这个道理,爱迪生发明的钨丝灯通电发光也是这个道理。正因为一般物质发光都和热联系在一起,这大概也就是人们常说“有一份热,发一份光”的原因吧。然而,与一般的热光源不同,半导体LED却是一种“冷光源”,它发光不需要通过热激发,这也是半导体灯能够节约电能的根本原因。

  可供照明领域应用的高亮度LED虽然只诞生约二十年,但它的发光效率已经远远超过普通白炽灯,目前已经接近或超过荧光灯。而且,LED灯的使用寿命几乎是白炽灯的100倍,荧光灯的10倍。所以,有人将半导体照明誉为“照明工业革命”并不为过。

  (1)半导体LED的结构与发光基本原理

  LED的结构如图1所示。其发光的核心部分是位于中间的一小片半导体晶体——称为芯片。芯片的尺寸很小,厚度约为零点几毫米,截面积一般不到1平方毫米,大功率芯片也只有几平方毫米。芯片是由p型和n型两种不同导电类型的半导体材料结合在一起构成的,二者结合的过渡区域称为p-n结。LED的发光过程就是在p-n结区域内发生的。

  LED发光与一般物质发光的本质区别就在于:具有较高能量的电子不是受热激发的,没有加热过程,而是从外电路直接注入的,因此,LED发光是真正的“冷光”。图2就是LED发光原理示意图。当在p-n结两端加上正向电压(p型材料连接电源正极,n型材料连接电源负极)时,带负电的电子不断从n型材料区域进入p-n结,带正电的空穴则不断地从p型材料区域进入p-n结,进入的电子和空穴(它们统称为载流子)会在p-n结区内碰到一起,并因正、负电荷中和而消失(称为复合),同时,将多余的能量以发光的形式释放,这就是LED发光。在一定的范围内,输入的电流越大,进入到p-n结区的载流子越多,它们复合发出的光就越强。为了提高LED的发光效率,人们通常会在p-n结区域内制作一些能够限制载流子运动的陷阱——称为量子阱,使它们能够更容易发生复合,以提高LED的发光效率。

  正是这种“冷”发光机理,使得LED的发光效率很高。在同等亮度下,LED灯所耗电量仅为白炽灯的1/10。若以我国当前照明的实际用电量计算,全国若有1/3的低效白炽灯被LED灯取代,每年就能节省用电约1000亿千瓦时,相当于一个三峡工程的发电量。

  可用来制造LED的材料种类很多。能够发出可见光的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)等,以及以它们为基础的三元、四元化合物,如GaAsP(磷砷化镓)、GaAlAs(砷铝化镓)、GaAsInP(磷铟砷化镓)等等。红光波段的发光材料主要以掺Al、In杂质的GaAs和GaP为主;蓝紫光及紫外光的发光材料则以掺Al、In杂质的GaN材料为主。

  用于照明的光源一般要求发白光,但是LED发出的光几乎是色光。人们通常采用如下两种技术途径来制造白光LED:其一,采用蓝色LED与黄色荧光粉(YAG)组合,即在蓝光InGaN芯片上涂上一层YAG荧光物质,利用蓝光照射荧光物质产生与蓝光互补的黄光,根据互补原理,LED便发出人眼所看到的白光。如图3所示。其二,将红、绿、蓝三基色的三个LED芯片组合封装在一个塑料外壳内,使它们发出的三基色光合成白光。目前,产业上白光LED制作方式主要还是采用前一技术途径,因为该技术方案工艺简单、成本低、效率高。

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