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固体化学作业


无机发光材料与半导体照明
一、引言 半导体照明即采用发光二极管(LED)作为发光源的照明方式。发光二极管 LED(Light Emitting Diode)它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上, 然后四周用环氧树脂密封,即固体封装,所以能起到保护内部芯线的作用,所以 LED 的抗 震性能好。 半导体照明在特殊照明领域如交通信号灯、景观照明、LE

D 全彩显示屏等的应用,节能 效果明显。 景观照明 (替代霓虹灯) 节能70%, 水立方5×104 m2的景观照明工程全部采用LED, 与传统荧光灯相比,全年预计可节约电能74.5 万度,节能73.34%;交通信号灯(替代白炽 灯)节能80%;庭院灯节能70%。在功能性照明领域,节能效果已开始显现,如LED 作为次干 道路灯 (替代高压钠灯) 节能70%。 虽然初始采购价格是普通灯的三倍, 综合节约成本约3 ~ 4 年可以持平。 我国是能源消耗大国, 在照明上消耗能量占社会总量消耗的10% 以上。 半导体照明具有 资源能耗低的特点,从材料制备、产品制造和应用三个阶段全生命周期能耗低于传统照明。 据统计如果我国现有家庭平均每户使用一只 LED 灯代替普通白炽灯,每年可减少650 万吨 煤的燃烧。 二、无机发光材料 无机发光材料: 无机发光材料 几乎所有的无机固体发光材料都由两部分组成。 其一材料的主要成分, 也就是她的主体, 在发光术语中称为基质(host) 。其二是有意掺入的少量成分,称为激活剂(activator) 。激 活剂对发光的性能有重要的作用, 能够影响甚至决定发光的亮度和颜色以及其他性能。 不过 -5 -4 她在材料中的浓度很小,有时到 10 —10 克每克。激活剂还不止一种,第第二种掺质起改 善或改变发光性能的作用,叫共激活剂(co-activator),那些能够增加发光强度的另加杂质叫 敏化剂。有些基质自己就可以发光,但极少实用的无机发光材料不含激活剂的。 无机荧光材料的代表为稀土离子发光及稀土荧光材料, 其优点是吸收能力强, 转换率高, 稀土配合物中心离子的窄带发射有利于全色显示, 且物理化学性质稳定。 由于稀土离子具有 丰富的能级和 4f 电子跃迁特性,使稀土成为发光宝库,为高科技领域特别是信息通讯领域 提供了性能优越的发光材料。目前, 常见的无机荧光材料是以碱土金属的硫化物(如 ZnS、 CaS)铝酸盐(SrAl2O4, CaAl2O4, BaAl2O4)等作为发光基质,以稀土镧系元素[铕(Eu) 、 钐( Sm) 、铒(Er) 、钕(Nd)等] 作为激活剂和助激活剂。 无机荧光体的传统制备方法 是高温固相法, 但随着新技术的快速更新, 发光材料性能指标的提高需要克服经典合成方法 所固有的缺陷,一些新的方法应运而生,如燃烧法、溶胶—凝胶法[、水热沉淀法、微波法 等 发光机理: 三、发光机理:LED 芯片的原理 LED(Light Emitting Diode) ,发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把 电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极, 另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部 分是 P 型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是 N 型半导体,在这边主要是电子。 但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N 结”。当电流通过导线作用于这 个晶片的时候,电子就会被推向 P 区,在 P 区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式 发出能量,这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成 P-N 结的材料 决定的。 无机发光二极管(LED) 在1962年,通用电气的高级半导体化合物实验室发明了第一个 ( )

实用的可见光光谱的 LED。这个 LED 由 p-n 同质结构的 GaAsP 组成。在接下来几年中, 这种技术持续改善,在六十年代晚期商用的红光 LED 出现。然而第一个商用 LED 的效率很 低,才0.1流明每瓦。在过去三十年中研究人员持续改善该技术,取得了高效率,发光光谱 也日益扩大,使用了新的 III-V 族化合物,今天市场上也出现了高亮度 LED 阵列。LED 的发 射光谱是离散的,目前可以制造的发光光谱分布在紫外、可视和红外区域。

使用单颗 LED 是很难进入常规照明市场的,因为它们无法发出白光。为了得到一 般照明用的白光, 某个特定光谱必须转化为白光或者多个光谱混合成白光。 目前的白光 LED 主要采用两种方法获得:1)荧光粉技术;2)多种颜色混合。图 2.6显示了这两个白光 LED 技术的结构。目前也有同时应用了荧光粉和多颜色混合技术的白光 LED。 该荧光粉 LED 通过荧光粉将蓝光转化为白光。 另一方面, 通过多种颜色混合的 LED 封装把红绿蓝光按比例输出,混合成了白光。 在荧光转换蓝光 LED 中,LED 所发的蓝光波长大概为 460nm,有一些光直接发出来,另 外一些光通过荧光粉进行下转换,波长从 460nm(蓝)变成更长的波长(比如绿、黄、红) 并合成白光。日亚是第一个采用这种方法生产这种白光 LED 的公司,1997 年就推出了商业 化的产品。自此以后其他制造商也采用了这种方法来制造白光 LED,一些制造商还通过在 封装时添加二次荧光粉成功降低了色温,提高了显色指数,不过增加了封装成本。按这种技 术封装出来的暖白光 LED 模块效率在 72 lm/W,色温为 3000K。 四、我国无机半导体发光材料的研究现状 诞生起, 白光、 功率 LED 以 从 1962 年第一只红光 LED 诞生起 国外 LED 技术特别在蓝光、 及应用方面均有较大突破。但都集中在几个大集团公司,如日本日亚、丰田合成公司、德国 Osram (欧司朗)公司、美国 Gree (格力)和 Lumileds(飞利浦照明) 公司等。他们 申请有关 LED 的专利有 1 万多项,形成了高度的技术垄断。中国 LED 产业起步于 20 世 中国 年代。 中国的 LED 产业已经形成了包括 LED 外延片的生产、 LED 纪 70 年代 经过 30 年的发展, 芯的制备、封装以及 LED 应用产品在内的较完整的产业链。但是我国的半导体照明大部分 只做技术含量不高的封装工艺,而中上游领域发展的时间不长,产品的推广力度不够,多数 应用还是在特种照明领域,层次主要停留在中低档上,在国际市场上占有的份额还比较低。 LED 的核心技术是外延、芯片制造技术,特别是高亮度 LED 和功率 LED 的核心技术。外 延和芯片是产业的关键环节,占到成本的 60% ~ 70%,这方面的制造处于行业成长期、 市场潜力大,但是技术门槛高,技术的成熟度、人员、持续创新能力、技术导向等都对产业 的发展有很大的影响。目前核心设备 MOCVD(金属有机源化学气相沉积设备)基本依赖进 口。其中装备与原材料及高端应用产品成为制约我国产业发展的关键环节。高亮度及白光 LED 近年来在我国内地发展非常迅速,增长率均超过 50%。国产 LED 外延材料、芯片以 中低档为主,80% 以上的功率型 LED 芯片、器件依赖进口。照明用 LED 的发光亮度、光 电转换效率、能效、寿命等受到普遍关注。因此提高内量子效率和出光效率、提高抗光衰能

力和功率芯片的散热水平等重要技术的研究非常重要。 我国的功率型白光封装取得了较大进 展, 发光效率基本达到国际产业化水平。 在半导体照明应用产品的系统技术集成开发方面也 有不小的进步,新开发的应用产品实现批量生产并有部分产品出口。


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