半导体发展现状与发展趋势

半导体发展现状与发展趋势
摘要:半导体照明具有节能、环保、寿命长、尺寸小等优点，能够应用在各种各样的彩色和白色照明领域。

发展半导体照明产业具有重大意义,能缓解能源危机，改善环境污染问题，有利于国民经济可持续发展。

本文在介绍半导体照明特点的基础上，论述了半导体照明研究进展，分析了我国半导体照明产业发展面临的相关技术问题，最后对半导体照明工程发展趋势作了展望。

关键词：半导体照明、发光二极管、节能与环保
引言：
1879年，爱迪生发明了第一只作为热辐射电光源的碳丝白炽灯，使人类从漫长的火光照明时代进入了电气照明时代，第一次革命性地改变了人们的照明方式，拉开了人类现代文明的帷幕。

照明电光源经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三代产品，光效不断提高，耗电量不断下降，对人类社会的发展起了至关重要的作用。

今天，人们在关注光照效率的同时，更注重照明方式对环境的影响。

随着科学技术的进步，又一种新型电光源---发光二极管照明（LED）即半导体照明，真正引发了电光源照明技术的质变，
以其体积小、寿命长、耐闪烁、抗震动、色彩丰富、安全可控、节能环保、无紫外线和红外线辐射等全面优势掀起了第四次电光源技术革命，将电光源照明推进到节能环保的时代。

半导体照明应用的意义，绝不亚于前几次照明领域的技术革命。

因为半导体照明将作为最有效的节能和环保的手段，将通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式来改善和提高人类的生活质量。

1.半导体照明的特点
1.1 半导体照明的机理
所谓半导体照明，是指利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合，释放出过剩能量引起光子反射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

LED 的核心PN 结，具有正向导通、反向截止等特性。

当PN 结施加正向电压，电流从LED 的阳极流向阴极时，半导体晶体发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流大小有关，电流越大，发光亮度越高[1]。

1.2 半导体照明的优点
在同样亮度下，半导体灯的电能消耗仅为白炽灯的八分之一，因此半导体照明的应用将大大节约能源，同时还将减少二氧化碳的排放量[2]。

2003 年，我国照明用电共2292 亿度。

按照每年增长5%计算，到2010 年，照明用电可达3225 亿度以上。

假如到2010 年有三分之一以上的白炽灯被半导体照明技术所取代，那么一年可节约照明用
电1000 亿度，节省原煤0.5 亿吨，减少废气及尘渣排放量约667 万吨。

因此用10～15 年时间，投资50 亿至100 亿元发展半导体照明产业，相当于仅用三峡工程5%的投入，就能再造一个“绿色三峡工程”[3]。

除节能与环保外，半导体照明还具有响应速度快、无频闪、长寿命、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体等优点[4]。

而且，该光源还具有体积小、重量轻、免维护、易控制、使用安全、光效强，以及能适应各种恶劣条件等优点。

另外LED 结构简单牢固，其结构中无活动和易损坏的部件，是一种全固体结构，能够经受得住振动和冲击。

2.半导体照明的发展现状[5,6~12]
目前小功率LED 照明只能用于特种照明领域，广泛使用的照明光源还是白光LED。

我国LED 产业已有一定的基础，但与国外先进水平相比有较大差距，包括材料、芯片、封装、设备及如何提高发光效率和产品合格率。

（1）光谱质量和光源稳定性问题。

与用于显示的光源不同，照明光源对光谱质量和光源稳定性有非常严格的标准，LED 在这点上目前仍有较大差距。

灯光的颜色一致性也相当重要，目前LED 器件要满足这个颜色一致性要求还有相当大的困难。

（2）发光效率问题。

提高LED 的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED 芯片的结构和制造工艺。

（3）高功率问题。

作为普通照明，单个LED输出的光通量必须足够大。

小功率LED 组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中多
个LED 才能达到设计要求，缺点是线路复杂，散热不畅，为平衡各个LED 之间的电流电压关系必须设计复杂的供电电路。

相比之下，大功率LED 单体的功率远大于若干个小功率LED 的总和，允许工作电流较大，且供电线路相对简单，散热结构完善，使用寿命更长，所以大功率LED 器件必将代替小功率LED 器件。

目前，世界半导体照明技术及产业化竞争焦点集中在蓝光、紫光、白光以及大功率高亮度芯片。

但大功率芯片的生产设备国外也尚处于研制阶段，而且大的耗散功率、大的发热量、高的出光效率给封装工艺、设备和材料提出了新的更高的要求。

大功率LED 的批量生产目前只有美国的LUMILEDS公司比较成熟，是当前世界上最亮的产品。

（4）散热问题。

若LED 管芯结温度超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。

大功率LED在工作中会产生大量热量，如果在封装方式上不能有效解决散热问题，将会降低其性能并缩短使用寿命，因此有效解决散热和热应力问题至关重要。

显然，设计较大输入功率的LED 器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。

（5）光学系统设计问题。

由于通常LED 发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件，然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足各种照明灯标准要求的光分布。

所以要求对LED 照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。

（6）参数离散性问题。

由于LED 照明需由多个LED 管组成，其参
数离散性也是一个技术问题。

除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

（7）电路保护问题。

多个LED 组成一只照明灯具时，需要对LED 进行并、串联。

如果有一只LED 短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。

为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。

（8）白光LED 寿命问题。

随着白光LED 的制造和驱动技术的不断完善，其寿命将会越来越长。

由于LED 本身电特性的影响，微小到几毫安的电流波动也会对LED 寿命产生极大的影响。

国内目前LED 产品基本上都采用定电压的技术，因此LED 上的电流波动很大，很容易损坏LED，而应用定电压和定电流相结合的技术可确保超高亮度LED 的寿命。

（9）发光材料与器件制造问题。

目前国内外都在对直接发射白光的芯片做研究。

现阶段半导体发光技术的瓶颈似乎都集中在芯片制造和器件封装上，但从长远来看，新材料的开发是重中之重。

现在国外中高档材料，其光电转换效率为30%，而我国只达到10%左右。

ZnO 是一种继GaN 之后的新型宽禁带半导体材料，具有很高的室温发光效率。

另外，ZnO 材料的生产非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。

因而，今后ZnO 材料的生产是真正意义上的绿色生产，完全符合环保要求。

（10）白光LED 技术路线问题。

目前实现超高亮LED 的方法主要
集中在三种技术路线：一是利用三基色原理将红、绿、蓝三种超高亮度LED 混合成白光；二是通过蓝光光子触发磷光剂等荧光物质发射白光；三是用紫外光LED 激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。

实践证明这三种技术均已实现产业化，其中后两种技术发展较快。

目前我国在大功率LED 封装领域的产业化技术研究开发尚处于起步阶段，竞争力不强。

而大功率LED 用外延片和芯片还处于研发阶段，离产业化水平相距甚远。

我国相关科研和生产单位正在有针对性地加大对超高亮度LED 高档芯片和大功率外延片、芯片的研发工作，提高大功率LED 封装技术水平和产业化程度，大力开发和推广LED 应用，扩大产业化规模，逐步建立并完善LED 产业链。

3.半导体照明的发展趋势展望
半导体绿色照明是照明方式的一次具有重大意义的革命，国际上已掀起了一股应用LED 照明的研究与产业化热潮。

（1）白光LED 现处于初期发展阶段，目前在景观照明、庭园灯等特殊照明方面已大量应用；未来白光LED 的应用市场将非常广泛，而作为通用照明的高光通量白光照明取代白炽钨丝灯泡及荧光灯
照明，无疑是LED 最有光辉前景的应用产业。

（2）尽管发展LED 照明系统目前尚存在一系列关键技术问题需要解决，但随着LED 芯片发光效率的提高，LED 的封装与灯具制造工艺的进一步改进，一些技术障碍将逐步消除。

（3）高亮度LED 在未来10 年内的市场前景被业界看好，对全球照
明工业将造成巨大的冲击，成为替代传统照明器具的一大潜力商品。

未来5～6年中，若发光效率突破80lm/W，再加上单价继续下降，则到2008～2010 年，白光LED 照明将会进入通用照明领域，逐渐普及为一般家庭的各种照明灯具，正式成为21 世纪的照明新光源[33]。

（4）我国从科技攻关到产业布局上虽然取得了一些进展，但与日本、美国等还有相当的差距。

应尽快从我国实际出发，采取有效措施，加强科技攻关和产业布局，并出台相关的产业政策，以促进半导体照明工程的产业化，加强国际竞争力。

【1】啸风. LED 车灯漫谈. 中国LED 专业论坛，2004-12-24
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Semiconductor development present situation and the development tendency College: electrical and mechanical college class: material into 102 student id: 5901210080 name:leiqiangqiang
Abstract: the semiconductor lighting has energy saving, environmental protection, long service life, the advantages of small size, can be used in
all kinds of color and white lighting area. Development of semiconductor lighting industry has the great significance, can alleviate the energy crisis, improve the environmental pollution problems, be helpful for national economic sustainable development. Based on the introduction of the characteristics of the semiconductor lighting basis, the article discusses the semiconductor lighting research progress, and analyzes the semiconductor lighting industry in our country is facing the related technical problems, and finally to the semiconductor lighting project was prospected.
Keywords:semiconductor lighting, led (light-emitting diode), energy conservation and environmental protection。