半导体照明的介绍

半导体照明是一种采用发光二极管（LED）作为光源的照明装置，广泛应用于装饰灯、城市景观照明、交通信号灯、大屏幕显示、仪器仪表指示灯、汽车用灯、手机及PDA背光源、电脑及普通照明等领域。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它是半导体制成的光电器件，可将电能转换为光能。半导体照明相同亮度的能耗仅为普通白炽灯的十分之一，而寿命却为其100倍，被誉为“21世纪新固体光源时代的革命性技术”。

半导体照明产品的构成及其发光原理

与白炽灯和节能灯不同的是，半导体照明采用电场发光。它的基本结构是将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，起到保护内部芯线的作用。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。LED因使用材料的不同，其二极管内电子、空穴所占能级也有所不同，能级差的不同使载流子复合时产生的光子的能量不同，从而形成不同波长的光。

由于半导体照明能把电能直接转换为光能，因此从理论上可以产生较高的光效。近几年来， LED的光效提高很快。在1998年，白光LED的光效只有5 lm/W，但在2000年时，白光LED的光效已达25 lm/W，这一指标与卤钨灯相近。2008年7月22日，位于加州的欧司朗公司在开发高亮度、高效率LED上取得了新的突破，在350 mA的标准条件下，亮度的峰值达到155 lm，效率达到136 lm/W。2009年，世界LED巨头Cree、Nichia新近宣布LED的发光效率实验值分别是161 lm/W@350 mA、145 lm/W@350 mA，这些结果都已经大大超过了现有照明灯具的光效。当然，上述这些都是在实验室取得的，在实际应用中，由于受散热性等多方面的影响，LED的光效仅只有几十lm/W。不过以当前LED技术的发展速度，相信LED光效的瓶颈会得到突破，从而真正实现LED照明的广泛应用。

半导体照明产品的分类

LED常见分类主要有以下五种方式：

(1) 按发光管发光颜色：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。目前，为了提高LED的发光效率，推动LED在通用照明领域的应用，用红、绿、蓝三基色或其他途径合成白光LED成为该领域的研究热点。

(2) 按发光管出光面特征：可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为Φ2 mm、Φ4.4 mm、Φ5 mm、Φ8 mm、Φ10 mm及Φ20 mm等。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

(3) 按照发光强度角分布图，可分为以下三类：

高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

标准型：通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

散射型：这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

(4) 按发光二极管的结构：可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

(5) 按发光强度和工作电流：按发光强度可分为普通亮度的LED（发光强度小于10 mcd）、高亮度的LED（发光强度介于10～100 mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度大于100 mcd）；按照工作电流，可分为一般LED和低电流LED，其中一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2 mA以下（亮度与普通发光管相同）。

半导体照明产品的特点

在当前全球能源短缺的形势下，节约能源是我们正面临的重要问题。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，它的节能、环保、寿命长等特点，正是其不断受到世界各国推崇的重要原因：

(1) 寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时，一个LED灯在理想情况下可以使用50年。

(2) 色彩丰富：LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色。

(3) 稳定可靠：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小。在LED的寿命期内，LED一般都能稳定地工作，维护工作量较小。

(4) 电气安全性高：LED一般工作在低电压（6-24 V）、小电流（10-20 mA）环境下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能。

(5) 节能环保效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到50%以上，而光效相近的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。而且LED灯不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势。

(6) 应用灵活性好：LED可进行低压供电，也可用110 V/220 V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小，只用3-5 mm2），可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。

(7) 受控制能力强：现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示、分布控制等，是其它发光装置无可比拟的。

(8) 抗震性能优越：LED的坚固、耐震、耐冲击性能都超过了目前所有其它类型的电光源产品。

(9) 响应速度快：LED的响应速度在毫秒级，可以有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等领域。

(10) 显色性能良好：白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温范围从3600 K到11000 K不等（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案。

此外，LED还具有亮度高、无干扰、方向性好等特点。

阴极发光技术是用阴极射线管发出加速电子使宝玉石发光，根据不同成因，不同种类的宝玉石发光性不同，从而在鉴定和区别宝玉石工作中得到应用。又由于它具有成本低、无损、快捷和制样简单等优点，从20世纪70年代起开始被广泛地应用于宝玉石鉴定工作。

一、阴极射线发光基本原理

阴极发光是从阴极射线管发出的具有较高能量的加速电子束激发宝玉石矿物的表面，电能转化为光辐射而产生的发光现象，简言之，即为物质在电子束轰击下产生的一种发光现象。通常发出的是可见光(也可以是紫外光或红外光)，不同宝玉石由于含有不同的激活剂元素，因而产生不同的阴极发光，其光波波长和强度与该物质的成分、结构、微量杂质等有关，所以，可以利用阴极发光的颜色及其强度等信息，研究宝玉石矿物晶格中的缺位(如电子-空穴心)以及杂质离子。不同成因的宝玉石矿物在电子轰击下会发出不同颜色或不同强度的可见光，同时一些与晶体生长环境有关的晶体结构或生长纹也可得到显示。因此，阴极发光光谱可以作为研究宝玉石矿物的显微探针，用以鉴定宝玉石矿物；确定宝玉石中微量杂质离子的种类、价态、配位体的对称性。

用来激发并产生阴极发光的装置叫做阴极发光装置，把这种阴极发光装置装在显微镜上则成为阴极发光显微镜。它由五大部分组成：①显微照相系统(包括偏光显微镜)；②冷阴极电子q；③样品室；④控制系统；⑤真空泵。

二、阴极发光及其应用

1.在钻石鉴别和研究中的应用

(1)天然钻石生长环带：由于钻石生长环境的变化，物质成分的供应也产生变化，因此钻石在阴极发光下显示不同颜色和不同生长纹。阴极发光环带结构特征综合体现了各种地质事件，对研究和探讨形成环境的物理化学条件的变化有着重要的意义。

(2)区分天然与合成钻石：生长环境的不同，所接受的杂质成分含量的不同，造成天然和合成宝玉石在生长结构上有显著差异。合成钻石有不同的生长区，且具有规则的几何图形(受生长区控制)。常见的八面体生长区呈十字交叉状分布于晶体的角顶，发深蓝色和浅蓝色的光(Collins A.T.，1989)。

(3)区别处理前和处理后的钻石：同一颗钻石样品，在高温高压处理前的阴极发光为黄色，经高温高压处理后的阴极发光为蓝色。

(4)钻石的缺陷中心研究：宝玉石在阴极射线激发下可以发射出色调、谱位及强度不等的光，可利用阴极发光的图彩和阴极发光光谱的表征，揭示缺陷中心及发光机理。当辐照源的高能粒子进入钻石，会形成电子缺陷心。从阴极发光谱中可识别出 ND1 心(发光峰位于388nm)和S1心(发光峰位于515～520nm)。ND1心主要出现在Ia型钻石中，具有重要的标型鉴定意义(图13-7-1)。S1心属于一种典型的辐射损伤心，一般发射强蓝绿色光(据亓利剑，2000)。

图13-7-1 处理辐照绿色钻石的阴极发光谱

2.翡翠的阴极发光

(1)翡翠的阴极发光特征：在阴极发光下翡翠的主要矿物成分硬玉通常发暗至中亮绿至黄绿色光；当硬玉成分较纯时发亮紫红色光；当硬玉中不含铁而含钙和锰时往往发中至亮紫蓝色光和白色光；依据阴极发光图像能较好地区分翡翠和其他相似玉或仿制品(张鼐等，2000)。

(2)阴极发光可用来识别翡翠的A、B、C货：在阴极显微镜下翡翠的结构清楚可见，A、B、C货各有其明显的区别特征。

A货：翡翠因杂质成分不同，其发光各有特色。在阴极显微镜下以发暗绿—黄绿色光带紫蓝色光为主，个别的发葡萄红色和白色光。

B货：发均匀的亮绿—黄绿色光，晶体周边常被溶蚀成港湾状或参差状，裂缝充填有胶，可发绿色的光，裂缝两侧的晶体溶蚀现象明显。

C货：主要的阴极发光特征是裂缝发育且不发光，染料沿裂缝向颗粒间隙渗透的特征在阴极发光下清晰可见。

3.锡石的阴极发光与成因研究

锡石是一个宽能隙(Eg＞3eV)半导体矿物，吸收光谱谱带产生在紫外光区。因此锡石的阴极发光在可见光区观察不到。因为天然锡石中常含杂质离子(特别是过渡金属离子)使能隙减小，当电子由激发态回到基态则可见发光现象。

图13-7-2 锡石的阴极发光谱

按阴极发光的特征将锡石分两种不同的成因类型：伟晶岩型锡石和热液型锡石。热液矿床中锡石的阴极发光谱如图13-7-2。由图13-7-2自下向上可知，浅褐色—褐色—深褐色的锡石具有两个强度不等的发光带，对应发光带的颜色分别为黄色、黄绿色对应发光带的颜色分别为黄色、黄绿色。两带强度相等见黄绿色发光，若Ⅰ带＞Ⅱ带则发黄色光，若Ⅰ带＜Ⅱ带则发绿色光。发光主要是由激活 Ti4+离子引起的，而Fe3++Sn4+的占位形成受主能级，起激活剂或敏发剂的作用，Ⅱ带是由激活剂W引起的，其中Fe对W的发光起猝灭作用。

花岗岩岩浆型锡石富Ta、Nb、Fe、W等元素，其杂质离子的浓度高，锡石在常温下不发光。

思考题

1.X射线的散射分为______和______散射两种。相干的光子进行相互干涉并产生一些______现象。

2.X射线管产生的X射线包含两部分：一部分是具有连续波长的______X射线，另一部分是由阳极金属材料成分决定的有一定______X射线。

3.X光在晶体中的衍射一定要满足______方程，此方程中符号的物理意义：①______②______③______④______。

4.多晶 X 射线衍射仪法分为______和______两种法。X 光的衍射图的横坐标表示______为______，纵坐标表示。

5.多晶X衍射仪法是物相鉴定的最好的方法除了对______组成的玉石可以______样品外，对宝石的鉴定则需要______样品，碾成______样品。

6.在扫描电镜中的高能电子束与样品相互作用后，从样品中激发出各种信息。对于宝石工作者最常用的是哪3种信息：______ ______ ______。

7.扫描电镜中做形貌观察主要是用______和______，扫描电镜若带有能谱(EDS)则可运和用特征X射线做______。

8.电子探针成分分析一般是借助于入射电子束作用于样品表面产生的______的______和来实现的______。

9.电子探针定性分析的原理是根据______定律，写出此定律的表达式______，及其公式中符号的物理意义__________。

10.电子探针(WDS)做成分分析的3 种基本方法是：__________。其中面分析能得到______ ______和______信息。

11.波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)的仪器结构上的主要区别是______。和______。

12.波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

13.X光荧光(XRF)光谱产生的原因是__________。它两种谱仪一种是______，另一种是______。它们与波谱仪(WDS)和能谱仪(EDS)的区别是______。

14.波谱仪(WDS)、能谱仪(EDS)和X光荧光(XRF)光谱仪是否可以查明钻石样品中的碳和氮含量______和合成钻石中镍的含量______。

15.X荧光(XRF)光谱仪在宝玉石学中的应用有①______②______③______④______⑤______等。

16.红外光谱和拉曼光谱都是______，但红外光谱是______光谱，而拉曼光谱是______光谱。

17.拉曼光谱图和红外光谱图的表示是______的，拉曼光谱图的横坐标是______，红外光谱的横坐标是______。

18.有红外活性的宝石必须具有______的变化，有拉曼活性的宝石必须具有______的变化。

19.红外区的划分为3个区为1，______2，______3，______但只有中红外区的1250～400cm-1频区是______区，而4000～1250cm-1称为特征频率区主要用于__________。

20.拉曼散射是______散射，因此光子与分子之间发生______交换后，光子的______会减少或增加，则在瑞利散射线的两侧出现______线和反______线。

21.红外光谱在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

22.拉曼光谱在宝玉石学中的应用有：①______②______③______④______⑤______等。

23.阴极发光的原理是__________。

24.阴极发光仪所用辐照源发射出的是______即物质在______束轰击下产生的一种发光现象。通常发出的光是______光______。

25.阴极发光仪在宝玉石中应用：①______②______③______④______。

26.本章综述了7种大型仪器在宝玉石中的应用它们各有其特点：

(1)确定宝玉石的晶体结构(d-I)确定物相使用______法。

(2)确定宝玉石的成分的鉴定方法有：①______②______③______。

(3)除了能做物相鉴定外，还能够对镀膜，充填和高温高压处理宝玉石进行区别的方法有①______②______。

(4)确定钻石和其他宝玉石中的内部包裹体的方法有______分析。

(5)在可见光区能直接观察到的晶体生长环境或生长纹，并能探讨缺位的方法有______。

半导体发光二极管是一种极为重要的发光器件,它们不但在电子仪表显示、照明、大规模集成电路、光通信等方面有着广泛的应用,在研究领域也一直倍受人们的关注。本文对半导体发光二极管的正向电特性进行了较为系统的研究,其中的主要工作可以概括如下: 1.对现有的实验仪器TH2819 Precision LCR Meter进行了开发与改进,实现了计算机对它的远程控制,大大提高了测试效率根据实验需要,自行组建了实验装置,包括低频电学测试装置和交流电压调制发光实验装置。 2.采用基于并联模式的交流小信号法,在20Hz至100kHz的频率范围内,对半导体发光二极管的正向交流电特性进行了检测,并对实验结果进行了电压分段讨论。3.用低频电学测试装置,在1Hz至20Hz的频率范围内,对半导体发光二极管的电容特性进行了测试。实验结果表明,所有发光二极管在明亮发光时的电容仍为负值。 4.用交流电压调制发光装置对发光二极管的相对发光强度和发光相角进行了检测,并对相对发光强度和发光相角随频率变化的特征曲线进行了定性解释。 5.在我们测试的频率范围内,半导体发光二极管中普遍存在着负电容现象,并且测试频率越低、正向电压越大,负电容现象就越显著相对发光强度的频率特性曲线表明,影响发光二极管负电容的因素除了载流子的强辐射复合外,还有一个与频率密切相关的相位因子 6.通过对实验结果进行仔细分析,总结出负电容随电压、频率变化关系的经验公式。【关键词】：半导体发光二极管 正向交流小信号法 负电容 低频特性 相对发光强度 发光相角

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