無(wú)機(jī)發(fā)光材料與半導(dǎo)體照明

1、無(wú)機(jī)發(fā)光材料及半導(dǎo)體照明引言在當(dāng)前全球能源短缺危機(jī)不斷升高的背景下，節(jié)約能源是我們面臨的重要問(wèn)題。在同樣亮度下，LED（發(fā)光二極管）電能消耗僅為白熾燈的1/10,而壽命則是白熾燈的100倍。目前我國(guó)每年用于照明的電力約2500億千瓦時(shí)，如果采用LED照明，每年就可節(jié)電2200多億千瓦時(shí)，而這個(gè)數(shù)字是三峽電站年發(fā)電量的3倍，可見(jiàn)LED的節(jié)能效果相當(dāng)可觀。發(fā)光二極管LED是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體半導(dǎo)體發(fā)光器件。半導(dǎo)體照明就是將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合，通過(guò)空穴與電子的復(fù)合產(chǎn)生激子進(jìn)而激子躍遷發(fā)光。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以與當(dāng)今固體半導(dǎo)體照明匹配而產(chǎn)生白光。無(wú)機(jī)發(fā)光材料無(wú)機(jī)發(fā)光材料一般由基質(zhì)和摻雜

2、物兩部分組成，其中摻雜物包括激活劑、共激活劑、敏化劑和電荷補(bǔ)償劑等?；|(zhì)是熒光粉的主要組成部分，主要起禁錮激活離子或吸收能量的作用。由于基質(zhì)中結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的不同，對(duì)基質(zhì)中特定發(fā)光中心的晶體場(chǎng)環(huán)境也不同，可以使某些發(fā)光躍遷增強(qiáng)或減弱，還可以使某些發(fā)光躍遷產(chǎn)生劈裂。因此，基質(zhì)對(duì)熒光材料的發(fā)光性能有重要的影響。目前正在研究的紅色熒光粉的基質(zhì)可以分為：硫化物體系、氧化物體系、硫氧化物體系、鈕酸鹽體系、鈦酸鹽體系、硅酸鹽體系、鋁酸鹽體系等。激活劑在熒光粉中的含量非常少，一般只占熒光粉體系的萬(wàn)分之幾到百分之幾，但激活劑在熒光粉的發(fā)光中起著決定性作用。熒光粉中可能只有一種激活離子，也有可能存在兩種或多種激活

3、離子。對(duì)于只有一種激活離子的熒光粉，激活離子作為發(fā)光中心存在，它與基質(zhì)晶格或同離子之間發(fā)生能量傳遞。對(duì)于有多激活離子的熒光粉，有的激活離子并不能起到發(fā)光中心的作用，但它可以將自己吸收的能量傳遞給發(fā)光中心，改善熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度和余輝時(shí)間；這種激活離子稱為敏化劑。激活劑并不是在所有的基質(zhì)中都可以作為發(fā)光中心，只是相對(duì)于某種發(fā)光基質(zhì)而言的；敏化劑并不是對(duì)所有的激活劑具有敏化作用，也只是相對(duì)于某種基質(zhì)中的某種激活劑而言的。由于離子電荷數(shù)存在差異，激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格后可能會(huì)引起電荷的增加后減少，并產(chǎn)生電荷缺陷。為了補(bǔ)償激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格所引起的電荷變化，以有利于激活離子進(jìn)入基質(zhì)晶格和不影響激活離子的

4、發(fā)光性能，常常在基質(zhì)晶格中引入點(diǎn)和補(bǔ)償劑。例如在鈦酸鹽基質(zhì)熒光材料中，常用的電荷補(bǔ)償劑一般為堿金屬陽(yáng)離子和鋁離子等。稀土熒光無(wú)機(jī)發(fā)光材料稀土元素的原子具有未充?t的受到外界屏蔽的4f5d電子組態(tài)，因此有豐富的電子能級(jí)和長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)，能級(jí)躍遷多達(dá)20余萬(wàn)個(gè)，可以產(chǎn)生多種的輻射吸收的發(fā)射，構(gòu)成廣泛的發(fā)光和激發(fā)材料。稀土化合物的發(fā)光基于它們的4f電子在f-f組態(tài)之間或f-d組態(tài)之間的躍遷。具有未充滿的4f殼層的稀土原子或離子，其光譜大約有30000條可觀察到的譜線，它們的發(fā)射從紫外光、可見(jiàn)光到紅外光區(qū)的各種波長(zhǎng)的電磁輻射。稀土離子豐富的能級(jí)和4f電子躍遷性能，使稀土成為巨大的發(fā)光寶庫(kù)。稀土發(fā)光材料具

5、有很多特點(diǎn)：發(fā)光譜帶摘，色純度高，色彩鮮艷；光吸收能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高；發(fā)射波長(zhǎng)分布區(qū)域?qū)?；熒光壽命從納秒跨越到毫秒達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)；物理和化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫，可承受大功率電子束、高能輻射和強(qiáng)紫外光的作用。在現(xiàn)階段的LED丁用無(wú)機(jī)發(fā)光材料是在基底物質(zhì)上摻雜稀土離子而制成的。LED吉構(gòu)及發(fā)光原理（半導(dǎo)體照明原理）透明環(huán)氧樹(shù)脂封裝LlLI心再陽(yáng)極才干楔形支架引線架-有發(fā)射碗的陰極桿發(fā)光二極管的構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)：LEM核心部分是半導(dǎo)體組成的芯片，芯片利用膠體固定在支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)芯片采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝。所以方正性能較好。發(fā)光原理半導(dǎo)體芯片主要是由M半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成。在困半

6、導(dǎo)體里面是地遷移率的空穴占主導(dǎo)地位，在N®半導(dǎo)體里面是高遷移率的電子占主導(dǎo)地位。這兩種半導(dǎo)體之間的載流子濃度是不同的，可以產(chǎn)生相互擴(kuò)散形成一個(gè)過(guò)渡層，稱為P-N結(jié)；在正常條件下，P-N結(jié)中的內(nèi)電廠起到勢(shì)能壘作用，可以組織電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散而發(fā)生復(fù)合。而當(dāng)在P-N結(jié)兩端施加正向電壓時(shí)外加電場(chǎng)可以降低是能類(lèi)區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而破壞P-N結(jié)附近載流子的動(dòng)態(tài)平衡。于是電子從N區(qū)注入到P區(qū)，空穴從P區(qū)注入到N區(qū)；這樣注入的少數(shù)載流子與被注入的多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，復(fù)合產(chǎn)生的能量就會(huì)以光子的形式散射出去。LEDZ用轉(zhuǎn)向信號(hào)指示燈琬故燈普通燈閱讀燈后看箱燈轉(zhuǎn)向信號(hào)燈/剎車(chē)燈（包括CHSML）方向燈

7、內(nèi)部）雜物箱燈方向燈（外部）儀哂腳下燈導(dǎo)航背光照照力能的內(nèi)部短聘果酰門(mén)格燈車(chē)門(mén)容器燈水坑燈行駛燈LED實(shí)現(xiàn)白光的三種方法及存在問(wèn)題和解決辦法一是通過(guò)紅綠藍(lán)三基色多芯組和發(fā)光合成白光，該方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高、色溫可控、顯色性較好，缺點(diǎn)是三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定、控制電路較復(fù)雜、成本較高。OLED彩色化技術(shù)二是藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色性能還可以在其中加入少量紅色熒光粉或同時(shí)加入適量綠色、紅色熒光粉，該方法的優(yōu)點(diǎn)是效率高、顯色性較好，但也存在著一致性差、色溫隨角度變化的缺點(diǎn)三是紫外光LED激發(fā)熒光粉獲得白光，優(yōu)點(diǎn)是顯色性好、制備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在

8、于有紫外光泄露問(wèn)題，效率較低Red<；rvcnTUut-LlJkHlixUlkilluiLl?nivtn>Hf；Hplblkllull一最成勤我版。惟成本，愜演包性，離包工'日費(fèi)化暈字軻也斷7上蝎基依）書(shū)依曷聞而我光齡入而震也擔(dān)L烏利地索目R憾et事，士偏昆目前，商用白光LED是用藍(lán)光InGaN管芯泵浦YAGCe3+黃色熒光粉，黃光和藍(lán)光混合以得到白光。該白光發(fā)射體系存在一定的不足，主要是二極管的工作溫度及電流改變后，,芯的藍(lán)光發(fā)射和YAGCe3+熒光粉的黃光發(fā)射都會(huì)產(chǎn)生一定的波長(zhǎng)位移，從而導(dǎo)致其白光發(fā)射不穩(wěn)定。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始嘗試用發(fā)射350410nm紫

9、外光的InGaN管芯泵浦紅綠藍(lán)三基色混合熒光粉而產(chǎn)生白光，制成白光LEQ然而，混合熒光粉之間存在顏色再吸收和配比調(diào)控問(wèn)題，使流明效率和色彩還原性受到較大影響。因此，實(shí)現(xiàn)單一基質(zhì)中的白光發(fā)射是解決混合熒光粉不足的一條有效途徑。我國(guó)半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)自主研制的第一只LED,比世界上第一只LED僅僅晚幾個(gè)月。但從總體上看，目前我國(guó)半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。大功率LED封裝領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。而大功率LED用外延片和芯片還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化水平相距甚遠(yuǎn)。2003年6月17日，國(guó)家半導(dǎo)體照明工程計(jì)劃”開(kāi)始啟動(dòng)。2004年7月3日，科技部

10、宣布正式啟動(dòng)該工程的首批50個(gè)項(xiàng)目。根據(jù)計(jì)劃，到2012年后LED照明將逐步取代白熾燈和熒光燈。國(guó)家發(fā)改委計(jì)劃十一五”期間安排100億元資金用于發(fā)展我國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)，以保證我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)際同步發(fā)展29。我國(guó)相關(guān)科研和生產(chǎn)單位正在有針對(duì)性地加大對(duì)高亮度LED高檔芯片和大功率外延片、芯片的研發(fā)工作，提高大功率LED封裝技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度，大力開(kāi)發(fā)和推廣LED應(yīng)用，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，逐步建立并完善LED產(chǎn)業(yè)鏈。展望LEDKKttnRjJI19962000200420052»20072006的隨著人類(lèi)文明的進(jìn)步，高效能、長(zhǎng)壽命、無(wú)汞化、多元化和藝術(shù)化稱為世界照明領(lǐng)域的發(fā)展方向，而作為新型的固體光源的LED可以滿足這一發(fā)展要求。白光LED照明的耗能遠(yuǎn)低于同等亮度的白熾燈和日光燈，使用