黄孙超
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摘要：本文从半导体的经典定义和能带定义出发，引出半导体的发展的历程。然后过度到半导体材料的发光历史，及其发展现状。通过与其它发光光源相对比，重点谈论了LED 的优势，同时附带的指出了LED对解决能源和环境问题所做出的贡献。最后从发光的本质出发，提出了在理论上可以利用半导体中的电子从导带跃迁到价带而实现发光。 1引言
1.1半导体材料的定义
半导体材料（semiconductor material）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。在能带理论之前，半导体材料通常是指那些电阻率在107Ω·cm～10-3Ω·cm 范围内的材料。处于金属材料和绝缘材料之间。能带理论从材料的能带结构角度详细而理性的对半导体经行了定义，对半导体的认识有了一个质的飞跃。
能带理论认为：满带是不会产生电流，理由是电子波函数在k空间中是空间反演对称的，在-k处的电子产生的电流和在k处产生电流大小相等而方向相反，没有净电流产生如图1所示；对于部分填充能带，能带只是被价电子部分填充，无外场下电子在k空间分布对称没有电流产生，然而在外电场作用下电子在k空间分布下的对称性被破坏，于是在宏观上产生电流如图2所示。
图1满带导电性示意图
图2部分填充带导电示意图
导带被电子部分填充的材料是金属，导带未被电子部分填充、价带恰好被填满且导带和价带的带隙较窄的材料为半导体，带隙较宽的绝缘体。绝缘体带隙较宽以至于价带电子不能够激发到导带上，不能导电。半导体带隙较窄，在绝对零度时，价带是满带，而导带是空带，不能导电，当外界条件（光照，热激发等）改变时，半导体的禁带宽度较小，可以把价带顶的电子激发到导带底，于是在导带底有了电子，价带顶有了空穴，就可以导电。
1.2半导体材料的历史
1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属
的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。
不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。
1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。
在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
苯并芘检测
2半导体材料发光的前世今生
2.1半导体材料发光的起源
1962年通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极
管。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料。半导体发光二极管和半导体激光器作为两种极为重要的发光器件，在电子仪表显示、照明、大规模集成电路、光存储、光通信等许多方面有着广泛的应用。在它们的应用过程中，许多研究课
题被不断提出，反过来，这些课题的解决又促进了它们更有效的利用[1]。
各种发光的总机理都是一样的，也就是某种发光物质在受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质的基态电子跃迁到激发态上。根据能量最低原理，激发态上的电子要跃迁到基态或低能态同时以光的形式放出多余的能量。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，这种发射过程具有一定的持续时间发光材料的发光方式是多种多样的。
所不同的是，电子激发形式有所不同。根据电子激发形式的不同可以：光致发光、阴极射线发光、电致发光、热释发光、光释发光、辐射发光等类型。
2.2半导体材料发光的发展现状
近年来，研究者们对LED经行了大量的研究。研究的重点是不断升级基底材料，成功从第一代硅基半导体升级到了第三代半导体GaN。此外研究者们进行炒菜式的尝试，选用不同的元素掺杂以及掺杂的
比例，希望获得更为优越的LED。[2]在各类碳化硅纳米半导体材料的光致发光机制上也取得了一些进展。[3]在认识世界和改造世界的时候，人类很自然的朝两个方向努力——宏观和微观。半导体发光也是如此，研究者一方面努力将光源的功率做大，另一方面将光源做小，集成到各种电路上。[4-7]
3半导体材料发光的未来
3.1半导体材料发光的发展空间
3.1.1 化学发光和白炽灯发光
化学发光，所谓化学发光(chemiluminescence，CL) 实际上是产生于化学反应过程中的一种光辐射。化学发光法的基本原理就是：化学反应的反应物或生成物吸收了反应释放的化学能由基态跃迁至电子激发态，再由激发态的最低振动能级返回基态，同时将能量以光辐射的形式释放出来，产生化学发光。[8]大多数放能的化学反应都能产生化学发光，有些反应发射可见光，很容易看见，但是多数的反应所发的光则是很弱的，而且多在红外线范围，不容易被观测。一般用光子产率来定量地描述化学发光的强弱，光子产率是反应中产生的激发态分子数与总的反应产物分子数之比。虽然化学发光有许多应用，例如用来做光源，用于研究分子光谱和分子结构；通过化学发光研究化学反应的过程、机理、反应的能量分配。另外，高光子产率的反应是很理想的化学激光体系，如F2+H2反应已被用来获得高能量的HF红外化学激光。化学发光还用于分析化学，根据发光的光谱和强度，能够很灵敏地测出某些
物质的含量。但是很不适合用来照明，或者是显示光源。
灯是人类征服黑夜的一大发明。19世纪前，人们用油灯、蜡烛等来照明，这虽已冲破黑夜，但仍未能把人类从黑夜的限制中彻底解放出来。只有发电机的诞生，才使人类能用各各样的电灯使世界大放光明，把黑夜变为白昼，扩大了人类活动的范围，赢得更多时间为社会创造财富。白炽灯便是这类器件的代表，它是将电能转化为光能以提供照明的设备。其工作原理是：电首先被转化成了热，将灯丝加热至极高的温度（钨丝，熔点达3000℃多），这时候组成灯丝的元素的原子核外电子会被激发，从而使得其向较高能量的外层跃迁，当电子再次向低能
量的电子层跃迁时，多余的能量便以光的形式放出来了。同时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯。
灯使黑暗化为光明，使大千世界变得更光彩夺目，绚丽多姿。然而在当今世界，能源充足和环境清洁是保障国家能源安全、实现可持续发展的重要保证[9]，能源环境研究对于世界各国都具有重要的现实意义[10]。改革开放以来，我国经济保持了持续稳定的高速增长。国民经济的高速增长是以能源消费的高速增长为基础的。中国既是能源消费大国也是能源生产大国。目前中国的能源消费总量已位居世界第二。但国内能源生产的增长速度赶不上能源消费，中国已成为能源进口大国。2008 年我国石油对
外依存度达到51%，预计2020 年将达到60%。气候变化的实质问题是能源问题，节能减排已成为事关我国经济和社会生活的大事。我国以煤为主的能源生产和消费结构在相当长时期内难以改变，燃煤产生的CO2占CO2总排放量的比例已超过50%。[11]我国已成为CO2排放大国。世界原油重质化、劣质化的日趋严重和我国环保法规的日益严格，使我国炼油石化工业面临着前所未有的严峻挑战。在能源和环境的双重压力下，我们不能主要靠白炽灯来驱走黑暗。照明系统急需升级，高效清洁的代替品必须被到[12]。
域名管理3.1.2 荧光发光和LED发光
在多方面的努力下，荷兰飞利浦在1974年首先研制成功了将能够发出人眼敏感的红、绿、蓝三光的荧光粉氧化钇（发红光，峰值波长为611nm）、多铝酸镁（发绿光，峰值波长为541nm）和多铝酸镁钡（发蓝光，峰值波长为450nm）按一定比例混合成三基荧光粉（完整名称是稀土元素三基荧光粉），它的发光效率高（平均光效在80lm/W以上，约为白炽灯的5倍），温为2500K-6500K，显指数在85左右，用它作荧光灯的原料可大大节省能源，这就是高效节能荧光灯的来由。可以说，稀土元素三基荧光粉的开发与应用是荧光灯发展史上的一个重要里程碑。没有三基荧光粉，就不可能有新一代细管径紧凑型高效节能荧光灯的今天。荧光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度103-104毫米汞柱以后，充入少量惰性气体，同时还注入微量的液态水银。灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。
与此同时，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）在1962年开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P 区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
3.1.3 LED发光的优势
LED发光相比化学发光和白炽灯发光具有无可比拟的优势，因此化学发光组织芯片
和白炽灯发光退出照明和显示光源行业是一种必然的趋势，也是历史的选择。LED同新兴的荧光光源相比也具有一系列的优势。
直观上分析，LED一次性发出可见光，不像荧光光源利用紫外线轰击荧光粉，再间接的发出可见光。因而，相对于荧光灯LED没有紫外线辐射，更利于人类的身心健康。此外LED是非玻璃制品，不易破损，耐冲击，耐振动，在传输和使用过程中更安全。更重要的是LED外置隔离电源，在灯管两端都接
触不到市电高压，只有低于36V的直流安全电压，不存在触电的危险，完全是一种安全的灯具。基于以上三点LED相对于荧光灯是一个更人性化和理想化的照明设备。
从专业角度分析，LED的优势更为明显：
1. LED发光效率高：荧光灯的发光效率大约是55-80 lm/W（Philips公司T8荧光灯的发光效率为72lm/W），而LED的发光效率在100 lm/W以上，最近Cree 公司的XLampXP-G的发光效率已经到130流明/W，而且以后还会不断提升。二者之差现在已经将近一倍。而以后有可能达到3倍以上。
2. 灯具效率高：灯具的效率主要是指有效光效，因为荧光灯是360度发光的，而在反方向发出的光就没有什么用处。所以荧光灯通常采用一个白的灯罩，可以把相当一部分的反向光反射回来，一般来说，荧光灯的灯具效率大约只有70%。而LED日光灯则是120度发光的，所以全部光都是有效光。虽然有时候也会觉得120度发光角度窄了一点，不过大多数情况下还是够用的。而且这个发光角度也是可以根据需要来加以调整的。前面提到Philips的T8荧光灯的发光效率为72lm/W，36W的荧光灯一共发出2592流明，但是灯具效率只有70%，所以有效的流明数为1814.4流明，而LED的发光效率已经超过130lm/W，假定为100lm/W，那么只要18W就可以达到1800流明，也就是只要荧光灯一半的功率就可以有相同的亮度。而且LED的发光效率还在逐年升高。和荧光灯相比大约可以节省一半以上的电，也就是说采用一个18瓦的LED日光灯可以取代一个36瓦的荧光灯。不仅如此，LED日光灯还有很多其他优点
3. 寿命长：一个仔细设计的LED日光灯的寿命可以达到5万小时。而一个荧光灯的寿命通常只有5,000小时（有些国产的荧光灯寿命只有300小时）。二者相差将近10倍。最好的长寿命日光灯也只有10,000小时，二者也还相差5倍。
4. 不含汞，无污染。我们知道，荧光灯都含有汞。36mm荧光灯中含有
亚克力抽奖箱25-45mg的汞，26mm（T8）中含有20mg的汞。而荧光灯都是采用易碎的玻璃作为外壳，一旦玻璃破碎，其中的汞就会马上就会蒸发到空气中，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10-20毫克/立方米，超过国家规定的1000-2000倍。而汞是一种对人体十分有害的有毒物质，汞蒸气达0.04至3毫克时会使人在2至3月内慢性中毒，达1.2至8.5毫克时会诱发急性汞中毒，如若其量达到20毫克，会直接导致动物死亡。而1mg的汞就足以污染5454.5公斤的饮用水，使之达不到饮用标准。而LED日光灯中不含任何有毒物质，是一种完全绿环保无污染光源。
能量管理系统综上所述，LED的发展前景是一片大好，我们要做的工作是不断完善LED 的制作工艺，以低成本的方式制作出高品质的LED。
3.2 半导体材料发光的发展方向
根据目前的现有理论，光是激发态上的电子跃迁到基态或低能态时的副产
品。发光的波长和能量的关系可以根据爱因斯坦的理论公式：
hc
E=
λ
表格 1 发光波长和能量的对应关系
波长λ（nm）300 400 500 600 700 800 能量（eV） 4.137 3.103 2.483 2.069 1.773 1.551 由上表可知，发出可见光所需的能量差恰好是半导体的禁带宽度。因此从理论上来讲完全可以利用导带上的电子跃迁到价带上而附带发光。然而从目前的科学水平来说，这种方案很难普及。原因是很难实现粒子束反转，即怎样源源不断的将价带电子输运到导带上。在激光中已经实现了粒子束反转，存在的不足是条件太苛刻，造价过高。
本文认为，可以到一种相关的技术在可接受的条件下实现粒子束反转。从而实现真正的半导体发光。而不像LED依靠PN结，以少数载流子与多数载流子复合而发光。
基于这种机制而发出的光，波的单性好，波长可控，发光效率极高。如同马克思在描绘共产主义一样，只能经行抽象的描述，具体的细节就留给科学家吧。
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