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半导体照明技术的基本原理

文章出处:网络整理 发布时间: 2017/12/25 | 158 次阅读

  半导体照明被看作是第三代照明装置,可用于大屏幕彩显,特种照明,交通信号,多媒体显示LCD背光源,光通讯等领域。由于是冷光源,半导体照明不仅自身对环境没有任何污染,而且与传统的白炽灯、荧光灯相比,节电效率可以达到90%以上。

  半导体技术在业内又被称为LED 照明技术,主要包括了LED芯技术、LED 封装技术和LED 应用技术最近几年来,LED芯片技术在各国家的扶持下飞速发展,LED 芯片的尺寸越来越大,功率越来越大,单颗LED芯片的功率可以做大3W的LED佳装技术的发展使得封装产品的尺寸、形状、功能不断得到发展完善。为LED 应用技术的设计和制造提供了广阔空间,同时凸显了LED 照明技术多样性、灵活性、复杂性和广泛性。

  美国、日本、韩国等国家和地区,近年来相继推出半导体照明计划,投入巨资进行研发。世界三大照明厂商——通用电气、飞利浦、奥斯拉姆都已相继与半导体公司合作,成立半导体照明公司。在美国能源部、美国光电产业发展协会等几家单位的发起下,美国桑迪亚国家实验室从2001年3月开始起草美国半导体照明技术发展蓝图(2002—2020),旨在为下一代照明规划提供技术论证。

  与此同时,日本也大力发展半导体照明技术,其中典型的是“日本21世纪照明计划”,该计划是由日本金属研发中心(The Japan Research andDevelopment Center ofMetals)和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)发起和组织的为期5年的1个国家计划。这项计划的参与机构包括4所大学、13家公司和1个协会,目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术,使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍(即降低传统照明的能量消耗),减少CO2的产生。整个计划的财砬予币笪为60亿日元。

  半导体照明的基本原理

  当今最为热门的是InGaN、AlGaN、GaN 等Ⅲ族氮化物发光二极管的应用研究,该类管发射出的蓝绿光、蓝光、紫外光既可与红光、绿光发光二极管合成为白光,也可直接用来激发荧光粉发射出白光。因此,氮化物发光二极管是白光光源的首选。它们将会取代白炽灯、荧光灯等光源而成为未来白光照明的主流。因而氮化物发光二极管已成为半导体光电子器件中的一代新产品,必将在未来的节能照明中发挥不可替代的重要作用。

  与此同时,LED 器件的发光效率以每10 年约增长10 倍的速度不断提高。尤其是20 世纪90 年代初出现的GaN蓝绿光LED,发展尤为迅速,10 年间发光效率增长了100 倍。也正是由于GaN 基蓝绿光LED 器件的出现,弥补了LED 器件在短波长方面的缺憾,不仅实现了LED 全彩显示,而且也使LED 白光照明成为可能。随着材料生长及制作技术的迅猛发展,LED 器件也从早期的指示型(典型注入电流20 mA)发展到功率型(目前典型注入电流350 mA),应用领域也从状态表征扩展到夜景装饰、交通信号指示、汽车照明、大屏幕全彩显示等。

  而以GaN 基功率型蓝光LED 为核心的半导体照明光源,被认为是继白炽灯和荧光灯之后的第三代照明光源,成为国内外光电子领域的研究热点。与传统光源相比,全固态工作的半导体照明光源原理上具有发光效率高、寿命长、体积小、响应速度快、耐振抗冲击、绿色环保、使用安全等潜在优势,有广泛的应用前景。

  半导体发光二极管是半导体照明的核心,其发光原理如图1 所示,在p-n 结正向偏置条件下,通过注入到器件有源区的电子空穴对自发辐射复合,将电能转化为光能。从20 世纪50 年代发展至今,LED 的发光波长从红外扩展到了可见光、紫外波段。LED 器件的发光波长由材料的带隙能量决定,氮化镓基LED 材料属于直接带隙半导体材料,包括氮化铝(AIN)、氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)及其合金,带隙能量涵盖了可见光、紫外和深紫外波段。

  半导体照明技术的基本原理

  图1 LED 工作原理示意图

  实现半导体照明有3 种途径:

  1)基于三基色原理,利用红、绿、蓝三基色LED 合成白光,如图2(a)所示;

  2)利用紫外LED 激发三基色荧光粉,由荧光粉发出的光合成白光,如图2(b)所示;

  3)采用蓝光LED 激发黄光荧光粉,实现二元混色白光,如图2(c)所示。

  半导体照明技术的基本原理

  图2 实现白光固态照明的3 种方式

  (a)三基色LED 合成白光;

  (b)紫外LED 激发三基色荧光粉实现白光;

  (c)蓝光LED 激发黄光荧光粉实现二元混合白光

  利用三基色LED 混合白光,不仅可实现理想的白光光谱,而且光源颜色可调,但对三基色LED 的性能要求严格,其驱动电路等外围系统也相应复杂,因此,其性价比偏高,但适用于对颜色要求较高的场合。利用紫外LED 激发三基色荧光粉实现白光的技术,目前尚缺乏大功率紫外LED 以及高效率、高可靠性的紫外荧光粉,因此尚不具备实用性。而利用蓝光LED 激发荧光粉的方案,具有成熟的荧光粉和高效、高可靠性的蓝光光源,尽管显色指数上略显不足,但该方案具有最高的流明效率,是目前普遍采用的技术。以下讨论中如不作特殊说明,半导体照明指的都是以蓝光LED 激发黄光荧光粉的技术途径。

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