从火把到LED灯听厦门大学校长讲述“照明革 命”

 行业动态     |      2019-04-09 13:39

  潘小平、李瑜元、何方红、徐利敏、蒋少艾、郑 浩、李泽、贾 林、沙卫红、苏 华

  张荣:同学们,大家好!欢迎来到《大学》,今天我想跟大家交流的是神奇的第三代半导体。

  在介绍第三代半导体之前,我先给大家介绍两个在厦门大学校园里的故事。同学们进入厦门大学以后,都会看到在厦门大学校园里面有两栋楼,一栋叫做囊萤楼,一栋叫做映雪楼,是取自于中国古代两个非常著名的故事。

  “囊萤”讲的是晋代一位叫做车胤的青年。因为家里穷,晚上读书的时候没有照明的灯。怎么办呢?夏天他就用一个布囊,到野外去采集萤火虫,用萤火虫的光来照亮他读的书,所以这个故事叫“囊萤”。

  “映雪”讲的是冬天到雪地里用雪反射微弱的光线来读书,所以叫做“映雪”。

  1937年,抗战开始以后,因为厦门岛受到了日军威胁,所以当时萨本栋校长就决定厦门大学整体搬迁到闽西的一个小城--长汀。但是搬过去以后,整个城里没有电灯,学生学习没有电灯照明,萨本栋校长就把政府配给他自己用的一辆小汽车里面的发动机拆下来发电。

  我公司主要经营交通设备、交通器材、道路防护栏、信号灯、灯杆、道路标志牌、电子设备的研发、制造、安装、销售;安防监控系统、太阳能产品、LED产品、照明器材、电线、电缆、风力发电系统、交通管理智能化产品销售;道路工程、楼宇亮化工程、交通设施安装工程、城市及道路照明工程设计、施工,道路划线工程施工;货物进出口。

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  张荣:这个就是萨校长的那辆小汽车。这就是原来的照片。这个就解决了当时学生在长汀上学时照明的问题。

  张荣:人类的照明可以说经历了一个非常长期、复杂的演变过程,人类的照明史或者说照明的技术发展史,就是人类文明史的一个缩影。

  在生产过程中我发了一些照片给客户,客户看了后,叫我把质量把控好,不用安排人过来收货了,货打包好,客户要求加打包带,我也按照客户要求做了,货终于顺利出来,也和客户建立信任,后来货出到意大利后,要求做能源标签,我又按照要求做了给她,让她肯定我们的服务!

  大家可能知道,最早的照明是来自于什么?都是利用自然光源。最早用太阳来照明,可以用篝火、火把。所有这些都是天然产物,利用自然的光源进行照明。

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  产品提供的压缩土壤在干燥区可以长期储存。种植开始时,只需用水浸泡压缩的土壤,然后将种子放在上面。即使需要重新灌溉植物并自然分解以减轻负担,土壤也很容易更换。

  一直到了19世纪,到了1878年,人类才第一次有了我们今天看到的白炽灯,照明进入了“电气时代”,真正可以用我们完全可控的方式实现照明。

  今天的白炽灯比过去已经有了进步,但是因为物理上的限制,它发光的效率依然很难突破15%的大家公认的界限。

  后来,随着技术的进步,发明了水银灯。水银灯它跟白炽灯的照明机理就不一样。水银灯是靠激发气体,它是一种辉光放电、气体放电发光。比起白炽灯效率要高一些,但是它的效率按照今天的观点来看也是有上限的。

  随着技术的进步,一方面人类希望能够提升发光的效率,另外一方面我们也希望发展全固体的灯。它很耐用,同时一般情况下它的寿命也会很长。这个时候,随着半导体技术的发展,LED也应运而生。

  我们厦门承办金砖会晤这个会议的时候,整个厦门市也被装点得非常漂亮,而装点它的最主要电光源就是LED。

  第九十一条机动车驾驶证被暂扣期间驾驶机动车的,或者将机动车交由机动车驾驶证被暂扣的人驾驶的,处五百元罚款;驾驶的车辆为营运载客汽车的,处一千元罚款。

  张荣:从半导体被发现,特别是从半导体进入大规模的生产、应用到今天,大体上经过了三代,通常都称它们为第一代半导体、第二代半导体、第三代半导体。

  第一代半导体大家都比较熟悉,最典型的就是硅。今天我们所用的各种半导体器件里,有超过90%的产品都是用硅来做的。硅的特点,第一是工艺非常成熟,技术上很成熟;第二是它相对来说比较便宜,它的原材料就是二氧化硅,各种砂子都可以用来提炼出硅。但是从物理学家角度来看,这个材料也有它的局限性,就是硅很难发光,它的发光效率很低,很难让它发出我们所需要的光。所以第一代半导体,通常不能用来做发光器件。

  第二代半导体,我们早期也称之为化合物半导体,主要的代表是砷化镓、磷化铟这样的半导体。第二代半导体和硅的差别是什么呢?就是第二代半导体因为它的能量间隔,比起第一代半导体来说又宽了一点,就使得它有各种组合的方式。因此用第二代半导体通过不同的组合方式,就有可能实现比我们现在看到的大面积光伏电池有更高的能量转换效率。我们现在看到的大面积使用的硅的太阳能电池板一般在20%,好的可以到22%,如果用化合物半导体可以做到40%以上。

  而现在中国上天的这些材料,无论是飞船,还是我们的空间站,像嫦娥、玉兔、月球车等等,用到的太阳能电池板都是用化合物半导体做的。这个技术厦门大学也做了非常大的贡献,现在有70%的器件就是由厦门大学和合作单位来供应的。这个技术的主要贡献者就是厦门大学的康俊勇教授,他今天也参加了我们的活动。以上我讲的是第二代半导体。

  我们现在讲的第三代半导体是什么样的材料呢?第三代半导体最典型的代表就是氮化物半导体,特别是氮化镓,以及跟它相关的氮化铝、氮化铟。三族氮化物半导体是最典型的第三代半导体。有了这个氮化物半导体,我们就可以发展蓝光的LED,发展绿光的LED,以及通过组合,发展白光的LED。我们今天看到的各种五彩缤纷的显示屏,大部分手机其实也都是用的液晶屏,背后的光源都是LED的。

  LED光源光效表式中的分母与LED灯具效能中的分母含义也不相同。例如,对于非一体化LED模块,LED光源所消耗的电功率的仅是指LED模块所消耗的功率,不包括LED控制装置消耗的功率。LED灯具效能中的消耗的电功率是指灯具的输入功率,不仅包括LED光源,还包括LED控制装置所消耗的功率。LED灯具消耗的电功率大于LED光源消耗的电功率。目前LED照明灯具的最大技术难题之一就是散热问题,散热不畅导致LED驱动电源、电解电容器都成了LED照明灯具进一步发展的短板,LED光源早衰的缘由。正因为LED光源自身没有红外线、紫外线,因此LED光源自身没有辐射散热功能,LED照明灯具的散热途径只能通过与LED灯珠板密切组合的散热器来导出热量。散热器必须具备热传导、热对流、热辐射的功能。

  正是因为有了LED技术,特别是第三代半导体驱动的、能够发出各种各样颜色光的LED的技术,我们才有了今天五彩缤纷的世界,我们才能看到流光溢彩的建筑照明,才能看到那么美丽的城市景观。

  LED的发展过程一方面是寻求电光源,叫“照明革命”,寻求照明技术的突破。但实际上另外还有一个很重要的特点,就是固态照明技术变成一个非常好的节能减排技术,LED变成一个低碳光源。习总书记指出:“我们要加快推进节能减排和污染防治,给子孙后代留下天蓝、地绿、水净的美好家园。”LED技术,恰恰就是为改善我们的环境,减少能量消耗,从而为我们的生态文明建设作出贡献。

  LED节能的效果如何呢?非常了不得。2017年,我们因为推广了LED,全中国实现节电将近2000亿度。这个数字接近了2014年澳大利亚全国的用电量,所以这是一个非常了不起的成就。

  上海LED外延片在高温长晶过程中,衬底、MOCVD反应腔内残留的沉积物、外围气体和Mo源都会引入杂质,这些杂质会渗入磊晶层,阻止氮化镓晶体成核,形成各种各样的外延缺陷,最终在外延层表面形成微小坑洞,这些也会严重影响外延片薄膜材料的晶体质量和性能。因为庭院灯其具有多样性、美观性具有美化和装饰环境的特点,所以也被称之为景观庭院灯。任何散热器,除了要能快速地把热量从发热源传导到散热器的表面,最主要的还是要靠对流和辐射把热量散发到空气中去。导热只解决了传热的途径,而热对流是散热器的主要功能,散热性能主要由散热面积、形状、自然对流强度的能力决定,热辐射只是辅助的作用。一般来说,如果热量从热源到散热器表面的距离小于5mm,那么只要材料导热系数大于5时,其热量就可导出,其余散热就必须由热对流来主导的了。

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