半導(dǎo)體發(fā)光二極管燈泡前景:

當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來(lái)面臨的重要的問(wèn)題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。近年來(lái)，世界上一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家圍繞LED的研制展開了激烈的技術(shù)競(jìng)賽。美國(guó)從2000年起投資5億美元實(shí)施"國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃"，歐盟也在2000年7月宣布啟動(dòng)類似的"彩虹計(jì)劃"。我國(guó)科技部在"863"計(jì)劃的支持下，2003年6月份首次提出發(fā)展半導(dǎo)體照明計(jì)劃。

高節(jié)能:節(jié)能能源無(wú)污染即為環(huán)保。直流驅(qū)動(dòng)，超低功耗(單管0.03-0.06瓦)電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。

壽命長(zhǎng):LED光源有人稱它為長(zhǎng)壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，使用壽命可達(dá)6萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上。

多變幻:LED光源可利用紅、綠、籃三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下使三種顏色具有256級(jí)灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256=16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。

利環(huán)保:環(huán)保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

高新尖:與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，成功融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，是半導(dǎo)體光電器件"高新尖"技術(shù)，具有在線編程，無(wú)限升級(jí)，靈活多變的特點(diǎn)。

波長(zhǎng):光的色彩強(qiáng)弱變化，是可以通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)描述，這種數(shù)據(jù)叫波長(zhǎng)。我們能見到的光的波長(zhǎng)，范圍在380至780nm之間。單位:納米(nm)

亮度:亮度是指物體明暗的程度，定義是單位面積的發(fā)光強(qiáng)度。單位:尼特(nit)

光強(qiáng):指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范圍內(nèi)發(fā)出的可見光輻射強(qiáng)弱的物理量。

單位:燭光(cd)

光通量:光源每秒鐘所發(fā)出的可見光量之總和。單位:流明(Lm)

光效:光源發(fā)出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)。單位:每瓦流明(Lm/w)。

顯色性:光源對(duì)物體呈現(xiàn)的程度，也就是顏色的逼真程度。通常叫做"顯色指數(shù)"單位:Ra。

色溫:光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。

單位:開爾文(k)。

眩光:視野內(nèi)有亮度極高的物體或強(qiáng)烈的亮度對(duì)比，所造成的視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。

同步性:兩個(gè)或兩個(gè)以上LED燈在不規(guī)定時(shí)間內(nèi)能正常按程序設(shè)定的方式運(yùn)行，一般指內(nèi)控方式的LED燈，同步性是LED燈實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變化的基本要求。

防護(hù)等級(jí):IP防護(hù)等級(jí)是將燈具依其防塵、防濕氣之特性加以分級(jí)，由兩個(gè)數(shù)字所組成，第一個(gè)數(shù)字代表燈具防塵、防止外物侵人的等級(jí)(分0-6級(jí))，第二個(gè)數(shù)字代表燈具防濕氣、防水侵人的密封程度(分0-8級(jí))，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高。

中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在"國(guó)家半導(dǎo)體照明工程"的推動(dòng)下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚(yáng)州和石家莊七個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地。長(zhǎng)三角、珠三角、閩三角以及北方地區(qū)則成為中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集地。

目前，中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好，外延芯片企業(yè)的發(fā)展尤其迅速、封裝企業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)、照明應(yīng)用取得較大進(jìn)展。2007年中國(guó)LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過(guò)300億元，已成為L(zhǎng)ED全彩顯示屏、太陽(yáng)能LED、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國(guó)，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國(guó)內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路，但國(guó)內(nèi)在大尺寸LCD背光和汽車前照燈方面仍顯落后。

2008年北京奧運(yùn)會(huì)對(duì)LED照明的集中展示讓人們對(duì)LED有了全新的認(rèn)識(shí)，有力推動(dòng)了中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)，核心競(jìng)爭(zhēng)力仍有待于進(jìn)一步提升。對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)而言，壯大規(guī)模、提高產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)水平是首要任務(wù)，提高未來(lái)取得大廠專利授權(quán)時(shí)的要價(jià)能力，或逐步通過(guò)研發(fā)突破核心專利。

半導(dǎo)體傳感器

semiconductorsensor

利用半導(dǎo)體性質(zhì)易受外界條件影響這一特性制成的傳感器。

根據(jù)檢出對(duì)象,半導(dǎo)體傳感器可分為物理傳感器(檢出對(duì)象為光、溫度、磁、壓力、濕度等)、化學(xué)傳感器(檢出對(duì)象為氣體分子、離子、有機(jī)分子等)、生物傳感器(檢出對(duì)象為生物化學(xué)物質(zhì))。

光傳感器根據(jù)光和半導(dǎo)體的相互作用原理制成的傳感器。通過(guò)在半導(dǎo)體中摻進(jìn)雜質(zhì)可以在禁帶中造成新的能級(jí)，可以人為地將光的吸收移至長(zhǎng)波范圍。

半導(dǎo)體光傳感器種類很多，可以通過(guò)光導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實(shí)現(xiàn)光的檢出，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等。改變結(jié)構(gòu)，還可以制成具有新功能的光傳感器，例如靈敏度高和響應(yīng)速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長(zhǎng)范圍靈敏的器件、發(fā)光與受光器件處于同一襯底的器件、可進(jìn)行光檢出和電流放大的器件(圖1)、光導(dǎo)膜與液晶元件相結(jié)合的器件、電荷耦合器件等。

溫度傳感器一般隨溫度的上升，半導(dǎo)體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應(yīng)可以制成熱敏電阻。由于半導(dǎo)體載流子濃度與溫度有關(guān)，還會(huì)產(chǎn)生顯著的塞貝克效應(yīng)。當(dāng)P型半導(dǎo)體兩端存在溫度差墹T，熱端的空穴濃度大，因此空穴向冷端擴(kuò)散，并在此端產(chǎn)生正的空間電荷場(chǎng)(圖2)。這個(gè)電壓(塞貝克電壓uS)約為150μV/K。對(duì)N型半導(dǎo)體，圖2中載流子為電子，冷端連接點(diǎn)為負(fù)。因此,同時(shí)使用P型與N型半導(dǎo)體電偶的uS可達(dá)300μV/K，比金屬的uS(40μV/K)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類:接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。

隨著溫度的變化，半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻,分為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。

PN結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。非接觸型溫度傳感器可檢出被測(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì)，也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來(lái)測(cè)量一點(diǎn)的溫度，如測(cè)溫度分布，則需進(jìn)行掃描。

當(dāng)對(duì)象溫度低、只能發(fā)射紅外線時(shí)，則須檢出其紅外線(見光電導(dǎo)探測(cè)器)。

磁傳感器磁傳感器主要基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)的原理。利用霍爾效應(yīng)的器件稱為霍爾器件。當(dāng)施加磁通B時(shí)，電阻增加率墹R/R可用下式表示

墹R/R∝μ2B2

式中μ為載流子遷移率。半導(dǎo)體的載流子遷移率(如INAS約為104厘米2/伏秒)比金屬(如Cu約為34.8厘米2/伏秒)大得多，所以半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)很大。

半導(dǎo)體磁傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)，在電子學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外，還可利用磁效應(yīng)制作長(zhǎng)度與重量傳感器、高分辨(0.01度)的傾斜傳感器，以及測(cè)定液體流量等。

壓力傳感器半導(dǎo)體在承受壓力時(shí)禁帶寬度發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子濃度和遷移率變化。這樣引起的電阻變化比金屬絲受壓時(shí)截面積減小引起的電阻變化要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此半導(dǎo)體壓力傳感器具有高靈敏度。將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體組合使用還可制成靈敏度更高的壓力傳感器。擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器采用集成電路工藝制成，可以提高性能，改進(jìn)測(cè)量的精度。如加工硅單晶制成受壓膜片，在其表面用平面工藝擴(kuò)散再制成壓力規(guī)，由于二者處在同一硅片上，可以減少滯后、提高精度。

使用半導(dǎo)體壓力傳感器測(cè)量生物體各部分的壓力比使用古老的脈壓、血壓測(cè)量方法，具有精度高、體積小、可在生物體自然狀態(tài)下測(cè)量和安全(微小電流)的優(yōu)點(diǎn)。

濕度傳感器當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時(shí)，半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點(diǎn),實(shí)用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度傳感器用于室內(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕,節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測(cè)量60℃以上的環(huán)境濕度,還可用于醫(yī)藥、合成纖維工廠中存在有機(jī)物蒸氣時(shí)的濕度測(cè)量。

氣體傳感器利用半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)電阻或功函數(shù)發(fā)生變化這一特性檢測(cè)氣體。氣體傳感器分為電阻式與非電阻式兩種。

電阻式采用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料制備,有多孔燒結(jié)件、厚膜、薄膜等形式。根據(jù)半導(dǎo)體與氣體的相互作用是發(fā)生在表面還是體內(nèi)，又分為表面控制型與體控制型。表面控制型電阻式傳感器包括SnO2系傳感器、ZnO系傳感器、其他金屬氧化物(WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等)材料的傳感器和采用有機(jī)半導(dǎo)體材料的傳感器。體控制型電阻式傳感器包括Fe2O3系傳感器、ABO3型傳感器和燃燒控制用傳感器。這類傳感器可檢測(cè)甲烷、丙烷、氫、一氧化碳等還原性氣體，氧、二氧化氮等氧化性氣體，具有強(qiáng)吸附力的胺類和水蒸汽等。

非電阻式氣體傳感器利用氣體吸附和反應(yīng)時(shí)引起的功函數(shù)變化來(lái)檢測(cè)氣體。它可分為金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管型傳感器(利用金屬與半導(dǎo)體界面上吸附氣體時(shí)，二極管整流特性的變化)、MOS二極管型傳感器(采用MOS結(jié)構(gòu)，通過(guò)C-V特性的漂移檢測(cè)氣體)和MOSFET型傳感器(通過(guò)MOSFET的閾值電壓變化檢測(cè)氣體)。

半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高，可用于可燃?xì)怏w防爆報(bào)警器,CO、H2S等有毒氣體的監(jiān)測(cè)器。通過(guò)穩(wěn)定性研究，一些傳感器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體氣體傳感器在防災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、工程管理、自動(dòng)控制等方面有廣泛的應(yīng)用。

離子傳感器半導(dǎo)體離子傳感器體積很小，能直接插入生物體內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，隨時(shí)監(jiān)視患者的病情。

半導(dǎo)體表面的電阻隨垂直于表面的電場(chǎng)變化。利用這種場(chǎng)效應(yīng)制成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGFET)可作為化學(xué)傳感器。而在測(cè)量離子時(shí)，即稱為離子靈敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對(duì)特定的離子產(chǎn)生響應(yīng)并形成離子感應(yīng)層。這種界面電位的變化通過(guò)FET的漏極電流變化檢出。ISFET的小型化不存在離子選擇電極電阻過(guò)大的問(wèn)題，它的輸出阻抗很小。由于界面雙電層的穩(wěn)定性，即使在濃度很低的情況下也能檢出界面電位的變化，因此具有很高的靈敏度(見場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)傳感器)。ISFET可用來(lái)測(cè)量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等陽(yáng)離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子,還可制成復(fù)合ISFET(即同一ISFET可測(cè)幾種不同的離子)和FET型的參考電極(REFFET)等。

生物傳感器改變ISFET敏感膜或采用其他結(jié)構(gòu)可以檢出復(fù)雜的生物化學(xué)物質(zhì)。這種傳感器用于醫(yī)療、食品、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等方面。例如，在臨床化學(xué)檢查中，用固定酵素作電極的方法對(duì)血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進(jìn)行分析，迅速而又簡(jiǎn)便。生物傳感器正向檢測(cè)更復(fù)雜的生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)、免疫物質(zhì)、細(xì)胞和微生物的方向發(fā)展。

采用集成化技術(shù)，將半導(dǎo)體傳感器與信息處理電路集成于同一芯片，可以增加傳感器的功能。此外，還可以在同一襯底上制作能檢出不同對(duì)象的具有復(fù)合功能的半導(dǎo)體傳感器器件。已出現(xiàn)單片集成傳感器和混合集成傳感器，將傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合可以制成具有自動(dòng)補(bǔ)償功能和預(yù)知判斷功能的智能化器件。

半導(dǎo)體傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)多功能、小型化、智能化，缺點(diǎn)是多感性、選擇性差、在極限狀態(tài)下(例如高溫)不能使用。針對(duì)結(jié)晶型半導(dǎo)體傳感器的不足，人們正在研究無(wú)定形半導(dǎo)體傳感器。

半導(dǎo)體傳感器

利用半導(dǎo)體材料的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器。所采用的半導(dǎo)體材料多數(shù)是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半導(dǎo)體傳感器種類繁多，它利用近百種物理效應(yīng)和材料的特性，具有類似于人眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種感覺功能。優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測(cè)轉(zhuǎn)換一體化。半導(dǎo)體傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化、遙測(cè)、工業(yè)機(jī)器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。半導(dǎo)體傳感器按輸入信息分為物理敏感、化學(xué)敏感和生物敏感半導(dǎo)體傳感器三類。

物理敏感半導(dǎo)體傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，按敏感對(duì)象分為光敏、熱敏、力敏、磁敏等不同類型，具有類似于人的視覺、聽覺和觸覺的功能。這類器件主要基于電子作用過(guò)程，機(jī)理較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較普遍，半導(dǎo)體傳感器的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)應(yīng)用尤廣。它們與微處理機(jī)相配合，能構(gòu)成遙控、光控、聲控、工業(yè)機(jī)器人和全自動(dòng)化裝置。下表列出常用的物理效應(yīng)。

化學(xué)敏感半導(dǎo)體傳感器將化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，按敏感對(duì)象可分為對(duì)氣體、濕度、離子等敏感的類型，具有類似于人的嗅覺和味覺的功能。這類器件主要基于離子作用過(guò)程，機(jī)理較為復(fù)雜，研制較難，但有廣闊的應(yīng)用前景。通常利用的化學(xué)效應(yīng)有:氧化還原反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)、離子交換反應(yīng)、催化反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)(固體電解質(zhì)濃淡電池反應(yīng))等。

生物敏感半導(dǎo)體傳感器將生物量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應(yīng)和免疫反應(yīng)，通過(guò)測(cè)量反應(yīng)生成物或消耗物的數(shù)量達(dá)到檢測(cè)的目的。生物敏感傳感器所用的敏感功能材料是蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)分子只能同特定物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。通常利用的生物學(xué)效應(yīng)有抗原抗體反應(yīng)、酶作用下的氧化反應(yīng)、微生物活組織和細(xì)胞的呼吸功能等。