A globális LED-ipar fejlődési státusza
Szigetelőnek szoktuk nevezni a rossz vagy rossz elektromos és hővezető képességű anyagokat, mint a gyémánt, műkristályok, borostyán, kerámia stb. Az olyan fémeket pedig, mint az arany, ezüst, réz, vas, ón, alumínium stb., amelyek jó elektromos és hővezető képességgel rendelkeznek, vezetőknek nevezzük. A vezető és a szigetelő közötti anyagot egyszerűen félvezetőnek nevezhetjük. A vezetőkkel és szigetelőkkel összehasonlítva a félvezető anyagok felfedezése a legújabb. A félvezetők létezését csak az 1930-as években ismerte fel igazán az akadémia, amikor az anyagok tisztítási technológiája fejlődött.
Olyan anyag, amelynek ellenállása fém és szigetelő között van, és hőmérsékleti ellenállási együtthatója negatív. A félvezető ellenállása szobahőmérsékleten körülbelül 10E-5-10E7 ohm·m, és az ellenállási index csökken, ha a hőmérséklet emelkedik. Számos félvezető anyag létezik, amelyek kémiai összetételük szerint elemes félvezetőkre és összetett félvezetőkre oszthatók.
A félvezető világítás hatalmas kísértése sok országot optimistává tett a világítási terület jövőjét illetően, és a kormányok szerte a világon átültették a gyakorlatba. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma előrejelzése szerint 2030-ra az amerikai izzólámpák és fénycsövek 80%-át félvezető világításra cserélik, amivel évente 35 milliárd dollárt takarítanak meg.
Az Egyesült Államok elindította a National Semiconductor Lighting Projectet, az Európai Unió a Rainbow Projectet, Japán pedig a 21st Century Light Projectet. A japán kormány egyértelművé tette, hogy 2025-ben nagy léptékben lecseréli a hagyományos izzólámpákat félvezető világításra.
Kína a világ legnagyobb világítótest-gyártója, és hatalmas világítási iparral és világítási piaccal rendelkezik. Kína ugyanakkor túljutott a nagy teljesítményű fénykibocsátó chipek technikai nehézségein, a félvezető világítás ipari jelentősége és értéke pedig felmérhetetlen. Elindult a Tudományos és Technológiai Minisztérium és több mint tucatnyi önkormányzat által közösen megvalósított Országos Félvezető Világítási Projekt is. 2003 júniusában Kína létrehozta a „Nemzeti Félvezető Világítástechnikai Vezető Csoportot”, amelyet a Kínai Tudományos Akadémia Félvezető- és Fizikai Intézete, a Pekingi Egyetem, a Tsinghua Egyetem és más tudományos kutatóintézetek képviselnek, amelyek aktívan részt vesznek a világháló kutatásában és fejlesztésében. a harmadik generációs félvezető anyagok és az integrált technológiai vívmányok. A LED-ek (Semiconductor Light-Emitting Diodes) sikeres fejlesztése óta a Kínai Tudományos Akadémia Changchun Fizikai Intézete által az 1960-as évek végén.
Kínában több mint 3500 LED-es vállalat működik több mint 500 000 alkalmazottal és 400 kapcsolódó eszköz éves kibocsátásával. Több mint 100 millió, a piac mérete meghaladta a 30 milliárd dollárt. Jelenleg egy viszonylag teljes ipari lánc jött létre az epitaxiális lapkagyártásból, chip-előkészítésből és eszközcsomagolás-integrációs alkalmazásokból. Országszerte több mint 400 vállalkozás foglalkozik félvezető fénykibocsátó dióda eszközök és világítási rendszerek gyártásával. Kína már eddig is nagy számban értékesített alacsony és közepes kategóriás LED-termékeket a kijelzők és a közlekedési jelzőlámpák területén, és kialakított bizonyos alkalmazásfejlesztési technológiákat és független szellemi tulajdonjogokat.
A politikát illetően a Kínai Zöld Világítás Nemzetközi Konferencia és a Hatodik Nemzetközi Nagy Hatékony Világítási Konferencia, amelyet idén májusban tartottak, egyértelműen kimondta, hogy a „Tizennegyedik ötéves terv” időszakában a Nemzeti Fejlesztési és Reformbizottság a közintézményekre összpontosít. , szállodák, kereskedelmi épületek, irodaházak, sportok elősegítik a nagy hatásfokú energiatakarékos világítási rendszereket a helyszíneken és a lakóépületekben. Az állam szigorúan érvényesíteni fogja a világítástechnikai termékek piacra jutását is.
Nem szabad előállítani és értékesíteni olyan terméket, amely nem felel meg a kötelező teljesítmény- és hatékonysági előírásoknak, és nem építhető olyan épület, amely nem felel meg az épületvilágítási energiatakarékossági előírásoknak. Az állam ösztönző mechanizmust hoz létre a nagy hatásfokú világítástechnikai termékek népszerűsítésének és alkalmazásának felgyorsítására, valamint olyan fiskális és adózási politikákat kutat és javasol, amelyek ösztönzik a nagy hatásfokú világítási termékek gyártását és használatát. A tudósok azt jósolják, hogy bár a félvezető világítás felváltja az energiatakarékos lámpákat, több évbe, vagy még tovább is beletelhet, hogy bekerüljön Kína több millió háztartásába, a tájvilágítástól a kültéri nagy képernyőkig a játékokig, zseblámpákig és karácsonyi fényekig. Okuk van azt hinni, hogy a LED mindenki szobáját megvilágítja, és megváltoztatja az életünket.
A félvezetők osztályozása és teljesítménye
(1) Elemi félvezetők. Az elemi félvezető egyetlen elemből álló félvezetőt jelent, amelyek közül a szilíciumot és a szelént viszonylag korán tanulmányozták. Szilárd, félvezető tulajdonságokkal rendelkező, azonos elemekből álló anyag, amely érzékeny a nyomokban lévő szennyeződések és a külső körülmények okozta változásokra. Jelenleg csak a szilícium és a germánium jó teljesítményű és széles körben használatos. A szelént elektronikus világításban és optoelektronikai mezőkben használják. A szilíciumot széles körben használják a félvezetőiparban, amelyet elsősorban a szilícium-dioxid érint, amely maszkot képezhet az eszközgyártáson, javíthatja a félvezető eszközök stabilitását, és elősegíti az automatizált ipari gyártást.
(2) Szervetlen kompozit félvezetők. A szervetlen kompozitok főként egyetlen elemből állnak, mint félvezető anyagból. Természetesen léteznek több elemből álló félvezető anyagok is. A fő félvezető tulajdonságok az I. csoport és az V., VI. és VII. csoport; II. csoport és IV., V., VI. és VII. csoport; III csoport és V, VI; IV és IV, VI; V és VI; VI és VI kombinált vegyület, de az elemek jellemzőitől és az előállítási módoktól függően nem minden vegyület felel meg a félvezető anyag követelményeinek. Ezt a félvezetőt főleg nagy sebességű eszközökben használják. Az InP által gyártott tranzisztorok gyorsabbak, mint más anyagok, és főleg optoelektronikai integrált áramkörökben és nukleáris sugárzás elleni eszközökben használják. A nagy vezetőképességű anyagoknál főként LED-ekben és más szempontok szerint használják őket.
(3) Szerves vegyület félvezető. A szerves vegyületek olyan vegyületeket jelentenek, amelyek molekuláiban szénkötéseket tartalmaznak. A szerves vegyületek és a szénkötések merőlegesek egymásra, így vezetési sávot alkotnak. Kémiai hozzáadással bejuthat az energiasávba, ami elektromos vezetőképességet generálhat és szerves vegyület félvezetőt képezhet. A korábbi félvezetőkkel összehasonlítva ez a félvezető alacsony költséggel, jó oldhatósággal és könnyű anyagok könnyű feldolgozásával rendelkezik. A vezetőképesség molekulák szabályozásával szabályozható, és széles körű felhasználási területe van, elsősorban szerves vékonyrétegekben, szerves világításban stb.
(4) Amorf félvezető. Amorf félvezetőnek vagy üveg félvezetőnek is nevezik, amely a félvezető anyagok osztályába tartozik. Az amorf félvezetők más amorf anyagokhoz hasonlóan rövid hatótávolságú renddel és nagy hatótávolságú rendezetlen szerkezettel rendelkeznek. Főleg amorf szilíciumot képez az atomok relatív helyzetének megváltoztatásával és az eredeti periodikus elrendezés megváltoztatásával. A kristályos állapot és az amorf állapot alapvetően különbözik attól, hogy az atomi elrendeződés hosszú rendű-e. Nehéz szabályozni az amorf félvezetők teljesítményét. A technológia feltalálásával elkezdték használni az amorf félvezetőket. Ez a gyártási folyamat egyszerű, főként a mérnöki munkákban használatos, jó hatással van a fényelnyelésre, és főként napelemekben és folyadékkristályos kijelzőkben használják.
(5) Intrinsic félvezetők: a szennyeződések és rácshibák nélküli félvezetőket belső félvezetőknek nevezzük. Rendkívül alacsony hőmérsékleten a félvezető vegyértéksávja megtelt. A hő általi gerjesztést követően a vegyértéksáv egyes elektronjai átlépik a tiltott sávot, és nagyobb energiával lépnek be az üres sávba. Az üres sáv elektronjai vezetési sávvá válnak. Az elektron hiánya pozitív töltésű üresedést képez, amelyet lyuknak neveznek. A lyukvezetés nem tényleges mozgás, hanem egyenértékű. Amikor az elektronok vezetik az elektromosságot, az azonos töltésű lyukak az ellenkező irányba mozognak. [5] Külső elektromos tér hatására irányított mozgást hoznak létre, hogy makroszkopikus áramot képezzenek, amelyeket elektronvezetésnek, illetve lyukvezetésnek neveznek.
Ezt a fajta vegyes vezetőképességet, amely elektron-lyuk párok keletkezésével jön létre, belső vezetőképességnek nevezzük. A vezetési sávban lévő elektronok lyukakba esnek, és az elektron-lyuk párok eltűnnek, amit rekombinációnak nevezünk. A rekombináció során felszabaduló energia elektromágneses sugárzás (lumineszcencia) vagy rácsos hőrezgés energiája (fűtés) lesz. Egy bizonyos hőmérsékleten az elektron-lyuk párok keletkezése és rekombinációja egyszerre létezik, és eléri a dinamikus egyensúlyt. Ekkor a félvezető bizonyos hordozósűrűséggel és így bizonyos ellenállással rendelkezik. Amikor a hőmérséklet emelkedik, több elektron-lyuk pár keletkezik, a hordozó sűrűsége nő, és az ellenállás csökken. A rácshibák nélküli, tiszta félvezetők ellenállása viszonylag nagy, gyakorlati alkalmazása nem sok.
Félvezető alkalmazási terület
A félvezetőket integrált áramkörökben, fogyasztói elektronikában, kommunikációs rendszerekben, fotovoltaikus energiatermelésben, világítási alkalmazásokban, nagy teljesítményű áramátalakításban és más területeken használják.
Fotovoltaikus alkalmazások
A félvezető anyagok fotovoltaikus hatása a napelem működésének alapelve. Ebben a szakaszban a félvezető anyagok fotovoltaikus alkalmazása vált felkapott témává, és jelenleg ez a világ leggyorsabban növekvő és legjobban fejlődő tisztaenergia-piaca. A napelemek fő gyártási anyaga a félvezető anyagok. A napelemek minőségének megítélésének fő kritériuma a fotoelektromos konverziós arány. Minél nagyobb a fotoelektromos konverziós arány, annál nagyobb a napelem működési hatékonysága. A felhasznált különböző félvezető anyagok szerint a napelemeket kristályos szilícium napelemekre, vékonyfilmes cellákra és III-V összetett cellákra osztják.
Világítási alkalmazás
A LED egy félvezető tranzisztorra épített félvezető fénykibocsátó dióda. A LED technológiát alkalmazva a félvezető fényforrás kis méretű, sík felületbe csomagolható. Könnyű, vékony és rövid termékekké fejlesztve, megjelenésük után gyorsan népszerűvé váltak, és a kiváló minőségű fényforrások új generációjává váltak, amelyeket széles körben alkalmaznak az életünkben. Vannak olyan alkalmazások, mint például a közlekedési lámpák, az elektronikai termékek háttérvilágításának forrásai, a város éjszakai szépítésére szolgáló fényforrások, a beltéri világítás stb.
Nagy teljesítményű átalakítás
A váltakozó áram és az egyenáram kölcsönös átalakítása nagyon fontos az elektromos készülékek használatánál, és szükséges védelmet jelent az elektromos készülékek számára. Ehhez teljesítményátalakító eszközre van szükség. A szilícium-karbid nagy áttörési feszültséggel, széles sávrésszel és magas hővezető képességgel rendelkezik. Ezért a SiC félvezető eszközök nagyon alkalmasak olyan alkalmazásokra, ahol nagy a teljesítménysűrűség és a kapcsolási frekvencia. Ezek közé tartoznak a tápegység-csere berendezések.
A szilícium-karbid alkatrészek másik teljesítménye magas hőmérsékleten, nagy nyomáson és nagy frekvencián széles körben alkalmazza őket mélyfúrásban, inverterekben az energiatermelő berendezésekben, energiaátalakítókban elektromos hibrid járművekben és a kisvasúti vonatok vontatási teljesítményének átalakításakor. Maga a SiC előnyei, valamint az iparág könnyű súlyú és nagy konverziós hatékonyságú félvezető anyagok iránti kereslete miatt a SiC felváltja a SiC-t, és a legszélesebb körben használt félvezető anyaggá válik.
Nehézségek és problémák
(1) A félvezető hűtési technológia nehézségei
A félvezető hűtési folyamatban számos paraméter vesz részt, a feltételek összetettek és változtathatók. Bármely paraméter hatással lesz a hűtési hatásra. Laboratóriumi kutatásban, mivel a megadott zajt nehéz teljesíteni, szükséges a laboratóriumi környezet tanulmányozása, de néhány befolyásoló tényező tárgyalása nehézkes. A félvezető hűtéstechnológia egy részecskehatáson alapuló hűtési technológia, amely visszafordítható. Ezért a hűtési technológia alkalmazásakor nagy hőmérséklet-különbség lesz a meleg és a hideg végek között, ami elkerülhetetlenül befolyásolja a hűtési hatást.
(2) Problémák a félvezető hűtéstechnológiában
Először is, a félvezető anyagok minőségi együtthatója nem javítható tovább szükség szerint, ami elkerülhetetlenül hatással lesz a félvezető hűtési technológia alkalmazására.
Másodszor, optimalizálja a hideg végű hűtőrendszer és a melegvégű hűtőrendszer kialakítását, de nincs műszaki frissítés, és még csak elméleti stádiumban van, és nem játszik jobban szerepet az alkalmazásban, ami hogy a félvezető hűtési technológia nem tudja kielégíteni az alkalmazási igényeket. 
Harmadszor, a félvezető hűtési technológiának vannak korlátai más területeken és kapcsolódó területeken történő alkalmazásokhoz. Emiatt a félvezető hűtőtechnológiát ritkán alkalmazzák, a félvezető hűtéstechnika kutatása pedig nem az alkalmazás szempontjából indul ki, és technikailag nehezen bővíthető. Negyedszer, a piacgazdasági környezetben a tudomány és a technológia fejlődésének, valamint a félvezető hűtési technológia fejlesztésének számos szempontot kell figyelembe vennie. Ügyeljen a félvezető hűtési technológia alkalmazására, de vegye figyelembe a különféle befolyásoló tényezőket is, hogy ez a technológia jobban működjön.
