为什么LED使用半导体作为材料？（全球LED产业的发展状况）

全球LED产业的发展状况

我们通常将电导率和导热率差的材料（例如钻石，人造晶体，琥珀色，陶瓷等）称为绝缘体。具有良好导电性和导热性的金属，如金，银，铜，铁，锡，铝等，被称为导体。您可以简单地将导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最新的。直到1930年代，随着材料净化技术的改进，半导体的存在才真正被学术界所认可。

在金属和绝缘体之间具有电阻率且电阻的温度系数为负的物质。室温下半导体的电阻率约为10E-5〜10E7 ohm·m，温度升高，电阻率指数降低。半导体材料很多，根据其化学成分可以分为元素半导体和化合物半导体。半导体照明的巨大诱惑使许多国家对照明领域的未来感到乐观，并且世界各国政府已将其付诸实践。美国能源部预测，到2030年，美国80％的白炽灯和荧光灯将被半导体照明所取代，每年将节省350亿美元。美国启动了国家半导体照明项目，欧盟启动了彩虹项目，日本启动了21世纪照明项目。日本政府明确表示，到2025年，它将用半导体照明大规模取代传统的白炽灯。

中国是世界上最大的灯具制造商，拥有巨大的照明行业和照明市场。同时，中国克服了大功率发光芯片的技术难题，半导体照明的工业意义和价值是无法估量的。由科技部和十几个地方政府联合实施的国家半导体照明项目也已经启动。2003年6月，中国成立了以中国科学院半导体与物理研究所，北京大学，清华大学等科研院所为代表的“国家半导体照明工程领导小组”，积极参与了半导体的研究开发。第三代半导体材料和综合的技术成就。自1960年代末中国科学院长春物理研究所成功开发LED（半导体发光二极管）以来。

中国有超过3500家LED公司，拥有超过500,000名员工，年产400台相关设备。超过1亿，市场规模超过300亿美元。目前，已经初步形成了外延晶圆生产，芯片制备和器件封装集成应用相对完整的产业链。全国有超过400家企业从事半导体发光二极管器件和照明系统的生产。中国已经在显示屏和交通信号灯领域销售了大量的中低端LED产品，并已形成一定的应用开发技术和自主知识产权。

在政策上，今年5月召开的中国绿色照明国际会议和第六届国际高效照明会议明确表示，在“十四五”期间，国家发改委将重点放在公共设施上。，酒店，商业建筑，办公楼，体育运动促进了场馆和住宅建筑中的高效节能照明系统。国家还将严格执行照明产品的市场准入。

不符合强制性性能和能效标准的产品不得生产和销售，不符合建筑照明节能标准的建筑物不得建设。国家将建立激励机制，以加速高效照明产品的推广和应用，研究并提出财政和税收政策，以鼓励高效照明产品的生产和使用。科学家预测，尽管半导体照明代替了节能灯，但进入中国数以百万计的家庭可能要花费数年甚至更长的时间，范围从景观照明和室外大屏幕到玩具，手电筒和圣诞灯。人们有理由相信，LED可以照亮每个人的房间并改变我们的生活。

半导体分类和性能

（1）元素半导体。元素半导体是指由单个元素组成的半导体，其中硅和硒的研究相对较早。它是一种具有相同元素半导体特性的固体材料，容易受到痕量杂质和外部条件引起的变化的影响。目前，只有硅和锗具有良好的性能并被广泛使用。硒用于电子照明和光电领域。硅被广泛用于半导体工业中，主要受二氧化硅的影响，可以在器件生产中形成掩模，可以提高半导体器件的稳定性，有利于自动化工业生产。

（2）无机复合半导体。无机复合材料主要由单个元素作为半导体材料组成。当然，也存在由多种元素组成的半导体材料。主要的半导体特性是I组和V，VI和VII组。第II组和第IV，V，VI和VII组；III组和V，VI；IV和IV，VI；V和VI; VI和VI组合的化合物，但受元素特性和生产方法的影响，并非所有化合物都能满足半导体材料的要求。该半导体主要用于高速设备。InP制造的晶体管比其他材料快，并且主要用于光电集成电路和抗核辐射设备。对于具有高导电率的材料，它们主要用于LED和其他方面。

（3）有机化合物半导体。有机化合物是指分子中含有碳键的化合物。有机化合物和碳键彼此垂直以形成导带。通过化学加成，它可以进入能带，从而产生电导率并形成有机化合物半导体。与以前的半导体相比，该半导体具有低成本，良好的溶解性和易于加工轻质材料的特征。电导率可以通过控制分子来控制，具有广泛的应用范围，主要用于有机薄膜，有机照明等。

（4）非晶半导体。它也被称为非晶半导体或玻璃半导体，属于一类半导体材料。像其他非晶材料一样，非晶半导体具有短程有序和长程无序结构。它主要通过改变原子的相对位置并改变原始的周期性排列来形成非晶硅。晶态和非晶态主要与原子排列是否具有长序不同。难以控制非晶半导体的性能。随着技术的发明，非晶半导体开始被使用。该生产工艺简单，主要用于工程领域，对光的吸收效果好，主要用于太阳能电池和液晶显示器。

（5）本征半导体：没有杂质和晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低的温度下，半导体的价带已满。在热激发之后，价带中的一些电子将穿过禁带并以更高的能量进入空带。空带中的电子成为导带。没有电子会形成带正电荷的空位，称为空穴。空穴传导不是实际的运动，而是等效的运动。当电子导电时，电荷相等的空穴将沿相反的方向移动。[5]它们在外部电场的作用下产生定向运动，以形成宏观电流，分别称为电子传导和空穴传导。

通过电子-空穴对的生成而形成的这种混合电导率称为本征电导率。导带中的电子落入空穴，并且电子-空穴对消失，这称为复合。重组期间释放的能量变为电磁辐射（发光）或晶格热振动能量（加热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡。此时，半导体具有一定的载流子密度并因此具有一定的电阻率。当温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度将增加，并且电阻率将降低。没有晶格缺陷的纯半导体的电阻率相对较大，

半导体应用领域

半导体用于集成电路，消费电子，通信系统，光伏发电，照明应用，大功率功率转换和其他领域。

光伏应用

半导体材料的光伏效应是太阳能电池运行的基本原理。在现阶段，半导体材料的光伏应用已成为热门话题，并且它是目前世界上增长最快，发展最快的清洁能源市场。太阳能电池的主要制造材料是半导体材料。判断太阳能电池质量的主要标准是光电转换率。光电转换率越高，太阳能电池的工作效率越高。根据所使用的不同半导体材料，太阳能电池分为晶体硅太阳能电池，薄膜电池和III-V化合物电池。

照明应用

LED是建立在半导体晶体管上的半导体发光二极管。使用LED技术，半导体光源的尺寸很小，可以封装在平坦的表面上。一旦发展成为轻，薄，短的产品，它们便迅速流行起来，并成为已在我们的生活中广泛使用的新一代高质量照明光源。如交通信号灯，电子产品的背光源，城市夜景美化光源，室内照明等，都有应用。

大功率电源转换

交流电和直流电的相互转换对于电器的使用非常重要，并且是电器的必要保护。这需要电源转换设备。碳化硅具有高击穿电压强度，宽带隙和高导热性。因此，SiC半导体器件非常适合功率密度和开关频率较高的应用。电源替换设备就是其中之一。

碳化硅组件在高温，高压和高频下的另一种性能使其已广泛用于深井钻探，发电设备中的逆变器，电动混合动力汽车中的能量转换器以及轻轨列车牵引功率转换。由于SiC自身的优势以及现阶段行业对轻质和高转换效率半导体材料的需求，SiC将取代Si成为最广泛使用的半导体材料。

困难与问题

（1）半导体制冷技术的难点

半导体制冷过程涉及许多参数，并且条件是复杂且可变的。任何参数都会影响冷却效果。在实验室研究中，由于很难满足指定的噪声要求，因此有必要研究实验室环境，但是很难讨论一些影响因素。半导体制冷技术是一种基于粒子效应的制冷技术，并且是可逆的。因此，在制冷技术的应用中，冷热端之间会存在较大的温差，不可避免地会影响制冷效果。