半导体照明技术的基本原理

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。
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。
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。