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。

固体光源中的LED光源近十年的科技进步上新突破简直达到日新月异的程度，它的性价比发展趋势见图8所示. LED的原材料主要是化学元素表上的Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅳ族化合物的半导体，例如： GaAs，GaP，AlxGa1-xAs和ZnSe等材料，当它被加上正向电压时，电子和空穴的复合过程中产生的过剩的能量就会以光能辐射出来。近年来尤其是20世纪90年代初，日本研究者中村修二成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED，使得白光LED 有了实用性强和行之有效的技术方案，半导体照明光源与固态照明领域也随之成为国内外光电子研究领域更引人注意的热点。随着材料生长和制作技术的迅猛发展， LED的发光效率实验室研制的LED达到了150 lm/W的发光效率，业界1年多前商品化量产规格的LED光效能达到50 lm/w，最近又提升至了70 lm/W，甚至有更高的报道。它的光效已能对传统光源形成有力的挑战。，LED器件也从早期的指示型LED（恒流20mA）发展到功率型LED（恒流350mA）。LED会给现代社会生活质量的提高带来不可估量的影响， 其前途无量的结论已被公众认可。

目前 LED在照明领域的发展潜力很大，但它作为照明主体的研究艰难和产品质量远没成熟也是不争的事实， LED要想取代白炽灯等传统光源进入普通照明市场，以下几方面工作是应该引起我们重视，首先是LED上、中游行业要学习和了解传统光源的特点和要求，让半导体工业和照明工业真正融合在一起，从而对照明用LED 的各项性能的改进和提高作出主要贡献，其中尤以光效和寿命的提高为关键； 其次，应采用更先进的工艺方法、封装结构和封装材料以解决散热问题， 但必须同时解决这些新工艺、新材料带来的其它问题，特别是性价比的问题；再则电子学科技人员应研制出更高效和可靠的驱动电路，并让所用的驱动电路装置要有统一标准和可互换性，给用户带来使用和维修的简便，这样才能达到推广应用的目的；另外尽快完成和成熟LED照明所需的二次光学非成像设计的机算机软件和使用的相关材料，使LED照明产品设计的成本降低并得到简化，要如PC计算机的Windows软件 *** 作那么便利，从而使LED达到室内外照明工程的有关的要求更容易得到满足；最后LED产品标准和测量标准的进一步确立和完善，尤其是光生物学安全的要求和眼睛的保护，这样 LED才能在更广阔照明领域中的应用奠定坚实的基础。

LED正方兴未艾的同时，固体光源另一有机发光两极管（OLED）又悄然崛起，，OLED是继CRT、PDP和LCD之后的第三代显示器，但它也是一种很有优势的新型固态光源，这种光源易于实现超薄结构和任意开关，与LED一样具有高效、环保和安全等优势。OLED厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻；固态结构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔；几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象；低温特性好，在零下40度时仍能正常显示，而LCD则无法做到；制造工艺简单，成本更低；发光效率更高，能耗比LCD要低；能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器，

2021年12月6-8日，以“创芯生态 碳索未来”为主题的第七届国际第三代半导体论坛暨第十八届中国国际半导体照明论坛（IFWS&SSLCHINA2021）将在深圳召开。

本届论有百余位程序委员会专家提供智力支持，将全面聚焦前沿技术及行业热点，力邀国内外知名专家、领军企业、行业精英代表深度参与，把脉产业商机，共促产业 健康 有序发展。

当前，国际上第三代半导体材料、器件已实现了从研发到规模性量产的成功跨越，并进入产业化快速发展阶段，在新能源 汽车 、高速轨道交通、5G通信、光伏并网、消费类电子等多个重点领域实现了应用突破。

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论坛长期与IEEE合作。投稿的录取论文会被遴选在IEEE Xplore 电子图书馆发表，IEEE是EI检索系统的合作数据库。目前，论坛同期论文已开启征集，论坛长期与IEEE合作。投稿的录取论文会被遴选在IEEE Xplore 电子图书馆发表，IEEE是EI检索系统的合作数据库。

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