半导体材料(物理名词)详细资料大全

半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和积体电路的电子材料。

基本介绍中文名 ：半导体材料 外文名 ：semiconductor material 分类 ：电子材料 导电能力 ：介于导体与绝缘体之间 电阻率 ：1mΩ·cm～1GΩ·cm 作用 ：可用来制作半导体器件和积体电路 特性 ：半导体电导率随温度的升高而升高 简介,主要种类,新型材料,实际运用,相关材料,特性信息,特性参数,特性要求,材料工艺,套用发展,早期套用,发展现状,战略地位, 简介 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化矽(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现电晶体化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体矽（Si）以后，不仅使电晶体的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模积体电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料 主要种类 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体 　在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布著11种具有半导性 的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中套用最广的两种材料。 半导体材料 无机化合物半导体 　分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在套用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,为主要的热敏电阻材料。⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。 除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的套用范围方面起很大作用。 半导体材料 三元系包括：族:这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的, 如 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更复杂的无机化合物。 有机化合物半导体 　已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到套用。 非晶态与液态半导体 　这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。 新型材料 其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应电晶体。 科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智慧型绷带、柔性显示屏、智慧型挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。 昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由矽制成，制造成本很高而碳基(塑胶)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。 以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造电晶体的有机半导体材料。 有机半导体是一种塑胶材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用电晶体控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。 实际运用 制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。 所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。 半导体材料 绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法套用最广，80%的矽单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中矽单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性矽单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯矽单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。 在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 相关材料 单晶制备 为了消除多晶材料中各小晶体之间的晶粒间界对半导体材料特性参量的巨大影响，半导体器件的基体材料一般采用单晶体。单晶制备一般可分大体积单晶(即体单晶)制备和薄膜单晶的制备。体单晶的产量高，利用率高，比较经济。但很多的器件结构要求厚度为微米量级的薄层单晶。由于制备薄层单晶所需的温度较低，往往可以得到质量较好的单晶。具体的制备方法有：①从熔 体中拉制单晶：用与熔体相同材料的小单晶体作为籽晶，当籽晶与熔体接触并向上提拉时，熔体依靠表面张力也被拉出液面，同时结晶出与籽晶具有相同晶体取向的单晶体。②区域熔炼法制备单晶：用一籽晶与半导体锭条在头部熔接，随着熔区的移动则结晶部分即成单晶。③从溶液中再结晶。④从汽相中生长单晶。前两种方法用来生长体单晶，用提拉法已经能制备直径为200毫米,长度为1～2米的锗、矽单晶体。后两种方法主要用来生长薄层单晶。这种薄层单晶的生长一般称外延生长，薄层材料就生长在另一单晶材料上。这另一单晶材料称为衬底，一方面作为薄层材料的附着体，另一方面即为单晶生长所需的籽晶。衬底与外延层可以是同一种材料(同质外延)，也可以是不同材料（异质外延）。采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延；采用从汽相中生长单晶原理的称汽相外延。液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度，溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄膜非晶材料。 半导体材料 宽频隙半导体材料 氮化镓、碳化矽和氧化锌等都是宽频隙半导体材料，因为它的禁频宽度都在3个电子伏以上，在室温下不可能将价带电子激发到导带。器件的工作温度可以很高，比如说碳化矽可以工作到600摄氏度；金刚石如果做成半导体，温度可以更高，器件可用在石油钻探头上收集相关需要的信息。它们还在航空、航天等恶劣环境中有重要套用。广播电台、电视台，唯一的大功率发射管还是电子管，没有被半导体器件代替。这种电子管的寿命只有两三千小时，体积大，且非常耗电；如果用碳化矽的高功率发射器件，体积至少可以减少几十到上百倍，寿命也会大大增加，所以高温宽频隙半导体材料是非常重要的新型半导体材料。 半导体材料 这种材料非常难生长，矽上长矽，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的加工、刻蚀也都比较困难。科学家正在着手解决这个问题，如果这个问题一旦解决，就可以提供一个非常广阔的发现新材料的空间。 低维半导体材料 实际上这里说的低维半导体材料就是纳米材料，之所以不愿意使用这个词，发展纳米科学技术的重要目的之一，就是人们能在原子、分子或者纳米的尺度水平上来控制和制造功能强大、性能优越的纳米电子、光电子器件和电路，纳米生物感测器件等，以造福人类。可以预料，纳米科学技术的发展和套用不仅将彻底改变人们的生产和生活方式，也必将改变社会政治格局和战争的对抗形式。这也是为什么人们对发展纳米半导体技术非常重视的原因。 电子在块体材料里，在三个维度的方向上都可以自由运动。但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候，电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的，而是量子化的，我们称这种材料为超晶格、量子阱材料。量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动，另外两个方向上受到限制；量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小，电子在三个方向上都不能自由运动，能量在三个方向上都是量子化的。 半导体材料 由于上述的原因，电子的态密度函式也发生了变化，块体材料是抛物线，电子在这上面可以自由运动；如果是量子点材料，它的态密度函式就像是单个的分子、原子那样，完全是孤立的 函式分布，基于这个特点，可制造功能强大的量子器件。 大规模积体电路的存储器是靠大量电子的充放电实现的。大量电子的流动需要消耗很多能量导致晶片发热，从而限制了集成度，如果采用单个电子或几个电子做成的存储器，不但集成度可以提高，而且功耗问题也可以解决。雷射器效率不高，因为雷射器的波长随着温度变化，一般来说随着温度增高波长要红移，所以光纤通信用的雷射器都要控制温度。如果能用量子点雷射器代替现有的量子阱雷射器，这些问题就可迎刃而解了。 半导体材料 基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已经发展得很成熟，广泛地套用于光通信、移动通讯、微波通讯的领域。量子级联雷射器是一个单极器件，是近十多年才发展起来的一种新型中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗和遥控化学感测等方面有着重要套用前景。它对MBE制备工艺要求很高，整个器件结构几百到上千层，每层的厚度都要控制在零点几个纳米的精度，中国在此领域做出了国际先进水平的成果；又如多有源区带间量子隧穿输运和光耦合量子阱雷射器，它具有量子效率高、功率大和光束质量好的特点，中国已有很好的研究基础；在量子点（线）材料和量子点雷射器等研究方面也取得了令国际同行瞩目的成绩。 半导体材料 材料中的杂质和缺陷 杂质控制的方法大多数是在晶体生长过程中同时掺入一定类型一定数量的杂质原子。这些杂质原子最终在晶体中的分布，除了决定于生长方法本身以外，还决定于生长条件的选择。例如用提拉法生长时杂质分布除了受杂质分凝规律的影响外，还受到熔体中不规则对流的影响而产生杂质分布的起伏。此外,无论采用哪种晶体生长方法,生长过程中容器、加热器、环境气氛甚至衬底等都会引入杂质，这种情况称自掺杂。晶体缺陷控制也是通过控制晶体生长条件（例如晶体周围热场对称性、温度起伏、环境压力、生长速率等）来实现的。随着器件尺寸的日益缩小，对晶体中杂质分布的微区不均匀和尺寸为原子数量级的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心设计，严格控制生长条件以满足对半导体材料中杂质、缺陷的各种要求是半导体材料工艺中的一个中心问题。 特性信息 特性参数 半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁频宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁频宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料 特性要求 半导体材料的特性参数对于材料套用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 半导体材料 电晶体对材料特性的要求 ：根据电晶体的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的电晶体可以工作于更高的频率（有较好的频率回响）。晶体缺陷会影响电晶体的特性甚至使其失效。电晶体的工作温度高温限决定于禁频宽度的大小。禁频宽度越大，电晶体正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁频宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生回响所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁频宽度(禁频宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极体、半导体雷射二极体的发光效率大为降低。 温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁频宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 材料工艺 半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化，而载流子迁移率和非平衡载流子寿命 一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷，除了在一般情况下要尽可能减少和消除外，有的情况下也希望控制在一定的水平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。 半导体材料 半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、矽是能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。 套用发展 早期套用 半导体的第一个套用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极体（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。 半导体材料 从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 发展现状 相对于半导体设备市场，半导体材料市场长期处于配角的位置，但随着晶片出货量增长，材料市场将保持持续增长，并开始摆脱浮华的设备市场所带来的阴影。按销售收入计算， 日本保持最大半导体材料市场的地位。然而台湾、ROW、韩国也开始崛起成为重要的市场，材料市场的崛起体现了器件制造业在这些地区的发展。晶圆制造材料市场和封装材料市场双双获得增长，未来增长将趋于缓和，但增长势头仍将保持。 半导体材料 美国半导体产业协会(SIA)预测，2008年半导体市场收入将接近2670亿美元，连续第五年实现增长。无独有偶，半导体材料市场也在相同时间内连续改写销售收入和出货量的记录。晶圆制造材料和封装材料均获得了增长，预计今年这两部分市场收入分别为268亿美元和199亿美元。 日本继续保持在半导体材料市场中的领先地位，消耗量占总市场的22%。2004年台湾地区超过了北美地区成为第二大半导体材料市场。北美地区落后于ROW(RestofWorld)和韩国排名第五。ROW包括新加坡、马来西亚、泰国等东南亚国家和地区。许多新的晶圆厂在这些地区投资建设，而且每个地区都具有比北美更坚实的封装基础。 晶片制造材料占半导体材料市场的60%，其中大部分来自矽晶圆。矽晶圆和光掩膜总和占晶圆制造材料的62%。2007年所有晶圆制造材料，除了湿化学试剂、光掩模和溅射靶，都获得了强劲增长，使晶圆制造材料市场总体增长16%。2008年晶圆制造材料市场增长相对平缓，增幅为7%。预计2009年和2010年，增幅分别为9%和6%。 半导体材料市场发生的最重大的变化之一是封装材料市场的崛起。1998年封装材料市场占半导体材料市场的33%，而2008年该份额预计可增至43%。这种变化是由于球栅阵列、晶片级封装和倒装晶片封装中越来越多地使用碾压基底和先进聚合材料。随着产品便携性和功能性对封装提出了更高的要求，预计这些材料将在未来几年内获得更为强劲的增长。此外，金价大幅上涨使引线键合部分在2007年获得36%的增长。 与晶圆制造材料相似，半导体封装材料在未来三年增速也将放缓，2009年和2010年增幅均为5%，分别达到209亿美元和220亿美元。除去金价因素，且碾压衬底不计入统计，实际增长率为2%至3%。 战略地位 20世纪中叶，单晶矽和半导体电晶体的发明及其矽积体电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs雷射器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了资讯时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和套用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、 *** 纵和制造功能强大的新型器件与电路，深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。

这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍。科学家预测，在未来5年，这种灯泡很可能成为下一代照明的主流产品。

英文：Light-Emitting Diode，简称LED

概述

发光二极管（LED）灯泡无论在结构上还是在发光原理上，都与传统的白炽灯有着本质的不同。

发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。

人们之所以将发光二极管用于照明，主要是将发光二极管发出的红色光、黄色光、蓝色光混合，这样，红、黄、蓝三种光“混合”后，就产生出白光，简称MCLED（multi-chipLED）；还可以利用“蓝光技术”与荧光粉配合也能形成白光，称为PCLED（phosphorconvertedLED），此外还有MOCVA直接生长多有源区的白光技术。

基本特征

编辑

1、发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

2、耗电量少

LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15~18毫安，反应速度快，可在高频 *** 作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。

3、使用寿命长

采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

4、安全可靠性强

发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

5、有利于环保

LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。

发光原理

编辑

要了解二极管的发光原理，首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材

料之间，它的独特之处在于：当半导体受到外界光和热条件的刺激时，它的导电能力会发生显著的变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅（Si）和锗（Ge），它们的最外层电子都是4个，在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响，使外侧电子变成两个原子共有的，这就形成了晶体中的共价键结构，这是一种约束能力很小的分子结构。在室温（300K）情况下，由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子，这个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。

由于共价键出现了空穴，在外加电场或者其他的能源作用下，邻近的价电子就会填补这个空穴，而这个电子的原来位置上又形成新的空穴，以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移我们可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算：

ni（T）=AT3/2e－EG/2kT式中，

EG——电子挣脱共价键束缚所需要的能量，单位是eV（电子伏），又被称为禁带宽度；

T——温度；

A——系数；

k——波耳兹曼常数（1．38×10－23J/K）；

e——自然对数的底。

由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，所以这个计算公式也可以用来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子（或空穴）的浓度越高，导电能力越强，在常温附近，温度每升高8℃，硅的自由电子浓度增加1倍；温度每升高12℃，锗的自由电子浓度升高1倍。

在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等，它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子，这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子，这类杂质半导体被称为电子半导体（N型半导体）。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质（如硼等），因为它外层只有三个电子，在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位，这类杂质半导体被称为空穴半导体（P型半导体）。在N型和P型半导体结合后，在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别，于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散，留下了一些带电却不能移动的离子，从而破坏了N区和P区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷，它们集中在N区和P区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。

在PN结的两端加上正向偏置电压（P型的一边加正电压）后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的LED发出的光。这样的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所以释放出的光子波长也不同，所以LED发光的颜色由所使用的基本材料决定.

光源种类

编辑

二基色荧光粉转换

二基色白光LED是利用蓝光LED芯片和YAG荧光粉制成的。一般使用的蓝光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用A1InGaN芯片。蓝光芯片LED配YAG荧光粉方法的优点是：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。其缺点是，蓝光LED效率不够高，到使LED效率较低；荧光粉自身存在能量损耗；荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命缩短等。

三基色荧光粉转换

在较高效率前提下有效提升LED的显色性。得到三基色白光LED的最常用办法是，利用紫外光LED激发一组可被辐射有效的三基色荧光粉。这种类型的白光LED具有高显色性，光色和色温可调，使用高转换效率的荧光粉可以提高LED的光效。不过，紫外LED+三基色荧光粉的方法还存在一定的缺陷，比如荧光粉在转换紫外辐射时效率较低粉体混合较为困难；封装材料在紫外光照射下容易老化，寿命较短等。

多芯片白光LED光源

将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起，也可以得到白光。这种类型的白光LED光源，称为多芯片白光LED光源。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，可以得到较高的光效；而且可以分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半导体材质相差很大，量子效率不同，光色随驱动电流和温度变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对3种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，这就使得电路过于复杂。另外，散热也是困扰多芯片白光LED光源的主要问题。

性能指标

编辑

（1）颜色：主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、琥珀色。

（2）电流：根据功率级的不同，常用的LED电流在20mA-2A不等。

（3）电压：电压与颜色有关系，一般红、绿、蓝的VF在1.8-2.4V之间；白、蓝、绿的电压在3.0-3.6之间

（4）反向电压Vrm：LED所允许的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。需注意的是，有的LED是不允许反向的（如OSRAM），一般Vrm在3-5V之间。

（5）色温：以绝对温度K来表示。eg.夏日正午阳光5500K,下午日光4000。

（6）发光强度：以坎德拉cd来计。这个量表明发光体在空间发射的会聚能力，是对光功率和会聚能力的一个共同描述。eg.Ф5的LED的I约为5mcd。

（7）光通量：以流明lm来计。此量是描述光源的发光总量的大小，与光功率等价。现有的1W的LED光通量可以做到80-130lm。

（8）光照度：以勒克斯lux来计。即均匀分布在1㎡表面上的光通量。

（9）显色性：以CRI来表示。eg.Luxeon冷白为70，中性白为75，暖白为85。

（10) 半值角：发光强度为峰值的一半时距中心线的2倍角度。根据不同应用，可以分为高指向性、标准型和散射型。eg.XP-C的半值角110°。

（11）主波长

（12）峰值波长

（13）中心波长

（14）色纯度

（15）半宽度

（16）热阻：以RθJC来表示，单位为℃/W。目 前国外的功率级LED的热阻基本在10 ℃/W以内。eg.Rebel,white: 9 ℃/WXP-G: 6 ℃/W.

（17）寿命：维持到初始光通量70%的时间，而这个时间可以到30.000-100.000小时。

优缺点

编辑

优点

1、节能环保

LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同，LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。光效为75lm/W的LED较同等亮度的白炽灯耗电减少约80%，节能效果显著，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含

 有毒有害物质（如：汞），避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。LED光源的不但更加环保节能，而且LED光源的光机色域更宽，色彩饱和度更高，更为关键的是，LED灯饰光源的使用寿命长达60000小时，能彻底解决传统灯泡光源寿命短的问题。

2、寿命长

正常情况下使用LED，其光衰可以减到70%的标称寿命是10万小时，减少了更换频率和其他维护工作。

3、光色纯正

由于典型的LED的光谱范围都比较窄，不像白炽灯那样拥有全光谱。因此，LED可以随意进行多样化的搭配组合，特别适用于装饰等方面。鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制。

4、防潮、抗震动

由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，不容易损坏。它可以应用于水下照明。

5、外形尺寸灵活：

可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果

6、环保：

无有害金属汞，无红外和紫外线辐射。大功率LED特点及与其他光源比较LED被称为“绿色光源”当之无愧。

7、多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即 可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

8、技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

9、其他优点：

低热量、小型化、响应时间短等，这些都使LED光源具有很大的优势，为应用于实际生产生活中创造了有利条件。

特性

1、高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电)；

2、超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）；

3、光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线） ；

LED辐照器（365）

4、绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）；

5、保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）；

6、光效率高　发热小，90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）；

7、安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场所；

8、市场潜力大　低压、交流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

不足

但是LED与其他光源比较也有不足的方面，比如在白光照明中显色性偏低。目 前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，其显色性指数约为80。作为一般照明还可以，但对于一些色彩分辨要求高的场所就显得不足。虽然通过增加适当红色荧光粉等方法，可以使显色指数提高到90或者更高，但是与白炽灯的99相比较还是有一定差距，而且其效率会受到影响。通过RGB混色处理也可以提高显色性，但是在技术在普及应用上还需要做更多工作，因此显色性方面，LED还需要作提升。至于价格过高、一次性投入较大，其实从综合成本考虑，很多场合使用LED还是节约了大量成本。

种类

编辑

检测种类

环形光源：直接照射被测物上方。

条型光源：有三种照射效果分别为直射、斜射及测光。

线型光源：有聚光效果，高亮度可缩短摄影机曝光时间。

回型光源：角度可调整以配合不同特性的待测物及工作距离。

背光源：从待测物背面照射。

外同轴反射光源：由侧向光源经由分光镜可将光线平行照射于待测物上。

内同轴点状光源：需搭配同轴镜头使用。

半球型垄罩光源：光源经扩散罩漫射可行成一均匀照射区。

应用种类

1）指示灯类

2）LED背光类

3）LED显示屏类

4）手持产品背光、闪光类

5）汽车应用类

6）通用照明类

7）景观照明类

8）特殊照明类

发展历史

编辑

①1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。

②1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。

③1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

④1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

⑤到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

⑥80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。

⑦1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

⑧今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

⑨1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。

⑩20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一.

选购注意

编辑

随着一哄而上的市场，作为消费者，选用led依然要冷静，科学地分析，选用性价比最好的光源灯具，下面介绍几种LED的基本性能：

1、亮度。LED的亮度不同，价格不同。用于LED灯具的LED应符合雷射等级Ⅰ类标准。

2、抗静电能力。抗静电能力强的LED，寿命长，因而价格高。通常抗静电大于700V的LED才能用于LED灯饰。

3、波长。波长一致的LED，颜色一致，如要求颜色一致，则价格高。没有LED分光分色仪的生产商很难生产色彩纯正的产品。

4、漏电。电流LED是单向导电的发光体，如果有反向电流，则称为漏电，漏电电流大的LED，寿

LED光源

命短，价格低。

5、发光。角度用途不同的LED其发光角度不一样。特殊的发光角度，价格较高。如全漫射角，价格较高。

6、寿命。不同品质的关键是寿命，寿命由光衰决定。光衰小、寿命长，寿命长，价格高。

7、晶片。LED的发光体为晶片，不同的晶片，价格差异很大。日本、美国的晶片较贵，一般台湾及国产的晶片价格低于日、美。

8、晶片大小。晶片的大小以边长表示，大晶片LED的品质比小晶片的要好。价格同晶片大小成正比。

9、胶体。普通的LED的胶体一般为环氧树脂，加有抗紫外线及防火剂的LED价格较贵，高品质的户外LED灯饰应抗紫外线及防火。每一种产品都会有不同的设计，不同的设计适用于不同的用途，LED灯饰的可靠性设计方面包含：电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。

由于LED是新产品，中国国家标准滞后，但国家提供产品合格测试。具有国际安全认证(如GS、CE、UL等)及国家产品质量合格证的LED灯饰价格要高，因为这些产品在安全设计上是可靠的。消费者注意的是要认真鉴别证书的真伪，现 在有国际安全认证及国家产品合格证的厂家并不多。

---