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科技创新“六个一”工程十大产业现状和发展趋势之五
——半导体照明与LED产业
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目 录
一.半导体照明产业概述 ........................................ 2 1.半导体照明的基本知识 .................................... 2 (1)半导体LED的结构与发光基本原理 ...................... 3 (2)半导体LED光源的特点 ................................ 5 (3)半导体LED的应用 .................................... 6 2.半导体照明产业及其经济社会影响 .......................... 8 二、半导体照明产业国外发展概况 ............................... 9 1.国际现状与动态 ......................................... 10 (1)市场总体态势 ....................................... 10 (2)主要国家和地区LLED产业发展战略 .................... 10 (3)国外主要LED企业介绍 ............................... 12 (4)LED技术研究现状及发展趋势 ......................... 13 2.国产业发展情况 ......................................... 14 (1)产业规模及地域分布 ................................. 15 (2)国主要企业简介 ..................................... 16 (3)国LED技术发展水平 ................................. 18 三、我省的半导体照明产业 .................................... 19 1.主要企业简介........................................... 19 2.我省的产业优势 ......................................... 21 (1)有一项具有完全自主知识产权的LED制造技术。 ......... 21 (3)产业技术基础较好 ................................... 22 (4)具有全色段LED的生产技术与能力。 ................... 22 (5)具有MOCVD设备的研发制造能力。 ..................... 23 四.我省半导体照明产业存在的不足与问题 ....................... 23 (1)产业规模方面 .......................................... 23 (2)技术方面 ............................................. 24 (3)其他方面 ............................................. 24 五、促进我省半导体照明产业发展的思考 ........................ 25 1.继续加大对科技创新的投入，促进企业成为技术创新的主体
........................................................ 25 2.进一步抓好人才队伍的建设 ............................... 26 3.培育龙头企业促进产业集群的形成 ......................... 26 4.积极推进产业链的进一步延伸 ............................. 26 5.加强交流与合作 ......................................... 27 6.利用示项目推动半导体照明的推广应用 ..................... 27
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主要参考资料 .......................................... 27
资料显示，人类用于照明的电力消耗是十分巨大的。世界照明用电量约占全世界电力总消耗的20%。而且，经济越发达的国家，照明用电量所占的比例越大。因此，节约照明用电已经为世界各国所高度重视。近十多年来，许多发达国家纷纷提出了各自的新世纪照明实施计划。
2008年我国照明用电量已达到4100亿千瓦时，照明用电量已超过全国电力总消耗的12％，此比例还在逐年攀升。而且，就全社会而言，目前广泛使用的照明电器仍然是以低效照明灯具为主，因此节约照明用电潜力很大。实施“半导体照明工程”计划正是节约照明用电的重要举措。
一.半导体照明产业概述
所谓“半导体照明”是指，利用半导体发光二极管(LED.Light Emitting Diode)作为新型电光源的通用照明。换句话说，就是在普通照明场合，用半导体照明灯(即LED灯)来替代白炽灯和其它低效率照明灯具。LED是半导体照明的核心，所以半导体照明产业也可称为LED产业。
1.半导体照明的基本知识
众所周知，物质是由原子组成的，原子又是由原子核和核外电子组成的，核外电子总是不停地沿着离原子核不同距离的近圆形轨道绕原子核运动。电子运动的轨道半径越大，它所具有的能量就越大。当物质被加热后，原来在较小半径轨道上运动的电子将会得到一定的能量，并跳到半径较大的轨道上继续绕原子核运动(这个过程称为热激发)。但是，这些电子是不稳定的，它们很快又会跳回到较低能量的轨道上来，同时，将它们所得到的多余能量以发射光子的形式释放出去。这就是物质发光的最基本原理。火焰发光是这个道理，爱迪生发明的钨丝灯通电发光也是这个道理。正因为一般物质发光都和热联系
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在一起，这大概也就是人们常说“有一份热，发一份光”的原因吧。 然而，与一般的热光源不同，半导体LED却是一种“冷光源”，它发光不需要通过热激发，这也是半导体灯能够节约电能的根本原因。 可供照明领域应用的高亮度LED虽然只诞生约二十年。但它的发光效率已经远远超过普通白炽灯，目前已经接近或超过荧光灯。而且，LED灯的使用寿命几乎是白炽灯的100倍，荧光灯的10倍。所以，有人将半导体照明誉
为“照明工业革命”并不为过。
(1)半导体LED的结构与发光基本原理
LED的结构如图1所示。其发光的核心部分是位于中间的一小片半导体晶体——称为芯片。芯片的尺寸很小，厚度约为零点几毫米，截面积一般不到1平方毫米，大功率芯片也只有几平方毫米。芯片是由p型和n型两种不同导电类型的半导体材料结合在一起构成的，二者结合的过渡区域称为p—n结。LED的发光过程就是在p—n结区域发
生的。
LED发光与一般物质发光的本质区别就在于：具有较高能量的电子不是受热激发的，没有加热过程，而是从外电路直接注入的，因此，LED发光是真正的“冷光”。图2就是LED发光原理示意图。当在p—n结两端加上正向电压(p型材料连接电源正极，n型材料连接电源负极)时，带负电的电子不断从n型材料
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区域进入p—n结，带正电的空穴则不断地从p型材料区域进入p—n结，进入的电子和空穴(它们统称为载流子)会在p—n结区碰到一起，并因正、负电荷中和而消失(称为复合)，同时，将多余的能量以发光的形式释放，这就是LED发光。在一定的围，输入的电流越大，进人到p—n结区的载流子越多，它们复合发出的光就越强。为了提高LED的发光效率，人们通常会在p—n结区域制作一些能够限制载流子运动的陷阱——称为量子阱，使它们能够更容易发生复合，以提高LED的发光效率。
正是这种“冷”发光机理，使得LED的发光效率很高。在同等亮度下，LED灯所耗电量仅为白炽灯的1／10。若以我国当前照明的实际用电量计算，全国若有1／3的低效白炽灯被LED灯取代，每年就能节省用电约1000亿千瓦时，相当于一个三峡工程的发电量。
可用来制造LED的材料种类很多。能够发出可见光的材料主要是III-V族化合物半导体材料，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaN(氮化镓)等，以及以它们为基础的三元、四元化合物，如GaAsP(磷砷化镓)、GaAIAs(砷铝化镓)、GaAsInt(磷铟砷化镓)等等。红光波段的发光材料主要以掺A1、In杂质的GaAs和GaP为主；蓝紫光及紫外
光的发光材料则以掺Al、In杂质的GaN材料为主。
用于照明的光源一般要求发白光，但是LED发出的光几乎是色光。人们
通常采用如下两种技术途径来制造白光L,ED：其一，采用蓝色LED与黄色荧光粉(YAG)组合，即在蓝光InGaN芯片上涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光照射荧光物质产生与蓝光互补的黄光，根据互补原理，LED便发出人眼所看到的白光。如图3所示。其二，将红、绿、蓝三基色的三个LED芯片组合封装在一个塑料外壳，使它们发出的三基色
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光合成白光。目前，产业上白光L.ED制作方式主要还是采用前一技术途径，因为该技术方案工艺简单、成本低、效率高。 (2)半导体LED光源的特点
①发光效率高。目前，LED灯的发光效率已经远远大于白炽灯，并接近荧光灯，有的已经超过荧光灯。这就是说，在获得同样照明的情况下，使用LED灯可以节约大量电能。
②寿命长。LED的平均寿命在5～10万小时。比目前所有照明光源的寿命都长。
③单色性好。LED所发出的光基本上是单色的，或者说颜色比较纯。而且有红、绿、蓝三种颜色的LED。因此在一些需要彩色照明的场所使用起来非常方便。
④响应速度快。白炽灯的响应时间为毫秒级，荧光灯的响应时间很长(从电源开启到完全点亮往往需要十几秒乃至1分多钟)。而LED灯的响应时间为纳秒级，一开即亮。且可频繁开启与关闭而不损坏。 ⑤使用低压直流电源。使用低压直流电既有安全的一面，但也给LED灯的使用增加了一个电源变换环节。因为我国的市电都是220V交流电。
⑥抗震性强。LED是全固态器件，更无真空玻璃外壳，所以抗震、抗冲击。
⑦环保。荧光灯和节能灯大都含有毒汞(Hg)元素。在LED中不含汞元素。
⑧芯片体积非常小。LED芯片尺寸一般不到lmm2.这使得LED能够得到广泛的应用。如手机、数码产品显示器的背光源，全彩显示屏等等。
⑨价格贵。目前LED的价格比较昂贵，尤其是超高亮度LED。这是影响半导体照明推广的重要原因之一。
下表1列举了几种常用的照明灯与LED灯的主要性能对比。
表1 常见的照明灯与LED灯主要性能的对比
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科技创新六个一工程十大产业现状和发展趋势之五
