第十二章半導(dǎo)體發(fā)光和顯示

1、半導(dǎo)體發(fā)光與顯示內(nèi) 容 綱 要一、半導(dǎo)體LED發(fā)光的基本特性二、半導(dǎo)體顯示技術(shù)三、白光照明工程一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的基本特性1、什么是半導(dǎo)體發(fā)光二極管2、各種半導(dǎo)體對應(yīng)的發(fā)光波長3、白光LED與普通白熾燈的發(fā)光光譜4、有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光二極管（OLED）5、LED的發(fā)展歷史6、LED的分類什么是發(fā)光二極管？ 半導(dǎo)體發(fā)光器件主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡稱半導(dǎo)體發(fā)光器件主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡稱LED）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏，）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏，事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極

2、管。發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。 LED具有高亮度、視覺遠(yuǎn)大、圖像清晰、色彩鮮艷、具有高亮度、視覺遠(yuǎn)大、圖像清晰、色彩鮮艷、穩(wěn)定性好、功耗低、光效高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)穩(wěn)定性好、功耗低、光效高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理1、發(fā)光中心的復(fù)合發(fā)光2、直接帶隙帶間復(fù)合發(fā)光各種半導(dǎo)體對應(yīng)的發(fā)光波長 LED是由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光芒。 LED的構(gòu)造圖基本物理量 光通量光通量： 符號 ，單位 流明 Lm， 說明 發(fā)光體每秒種所發(fā)出的光量之總和，即光通量。光通量是衡量光源的重要參數(shù)。單

3、位為流明（符號為Lm） 光強(qiáng)光強(qiáng)：符號 I，單位 坎德拉 cd 定義為波長為550nm的單色光源發(fā)光時，如果它在某一方向上的輻射強(qiáng)度為1/681（W/sr)，稱此單色光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)。說明 發(fā)光體在特定方向單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量 照度照度：照度是指單位面積上接收到的光通量。照度符號是E，照度單位是勒克斯（lx），計算式為：E=F/S式中：F光通量，流； S照明面積，米2； E照度，勒克斯 Lm/m2。 1勒（lx ）相當(dāng)于1米2被照面上光通量為1流明（lm）時的照度。夏季陽光強(qiáng)烈的中午地面照度約50000勒（lx），冬天晴天時地面照度約2000勒（lx），晴朗的月

4、夜地面照度約0.2勒（lx )。 亮度亮度：符號 L，單位 尼脫 cd/m2，說明 發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量 光效光效：單位 每瓦流明 Lm/w，說明 電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力，以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示 平均壽命平均壽命：單位 小時，說明 指光源強(qiáng)度下降至50%時的小時數(shù) 顯色性顯色性 顯色性即光源射到物體上，呈現(xiàn)物體顏色的程度。顯色性越高，則光源對顏色的 還原越好，觀察到的顏色就越接近自然色。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數(shù)定為Ra=100，各類光源的顯色指數(shù)各不相同。顯色性是照明裝飾設(shè)計上非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響裝飾物品的效果。 發(fā)光光譜特性：帶間復(fù)合，峰值

5、波長與禁帶寬度Eg相對應(yīng)，發(fā)光中心的復(fù)合發(fā)光，由發(fā)光中心位置決定，有一定的譜寬 溫度特性：溫度T上升，禁帶寬度Eg下降，載流子復(fù)合速率減小，發(fā)光強(qiáng)度下降，譜線紅移 發(fā)光效率和出光效率o：發(fā)光效率指半導(dǎo)體體內(nèi)復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之比；出光效率o指發(fā)射出體外的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之比有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光二極管OLED OLED的結(jié)構(gòu)OLED的優(yōu)點(diǎn)1.柔軟，可以是任意形狀，所以O(shè)LED顯示屏的外形不受限制，可以是任何形狀，可以放到任意物體的表面。由于使用了新的基質(zhì)材料，OLED顯示屏比目前最薄的薄膜電晶體管（TFT）屏幕還要平整得多。 可以放在衣服上的顯示屏可以卷起來的顯示屏2.可視

6、角度大3.與無機(jī)晶體半導(dǎo)體發(fā)光二極管相比，成本低4.制備技術(shù)簡單缺點(diǎn)：1.亮度低2.穩(wěn)定性相對差3.工藝重復(fù)性有待提高LED的發(fā)展歷史羅塞夫lossew.o.w在1923年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體SiC中偶然形成的p-n結(jié)的光發(fā)射1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價45美元，為紅光LED，發(fā)光效率0.1 lm/w1968年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1 lm/wLED的發(fā)展歷史 80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到 10 lm/w

7、 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到 4050 lm/w 1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04 lm/w 90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然采用該技術(shù)色彩絢麗的單色色彩絢麗的單色LEDLED的分類 按發(fā)光顏色按發(fā)光顏色：分為紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。 按按LED出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色：出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色：可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。 按發(fā)光管出光面特征：按發(fā)光管出光面特征：分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管

8、等LED的分類 按按LED的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：分為全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu) 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流：按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流：分有普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10100mcd間的叫高亮度LED。 超輻射發(fā)光二極管（SLD)LED、SLD、LD的區(qū)別器件LEDSLDLD器件結(jié)構(gòu)Pn結(jié)復(fù)合區(qū)吸收區(qū)端面增透膜異質(zhì)結(jié)諧振腔光輸出功率1mW0.3-5mW1-100nW光譜半寬nm50-10030-90 霓虹燈 廣告燈箱 平面招牌廣告 磁翻版 陰極管（crt）或石英管（dv）大型電視(成本非常昂貴) 彩色液晶顯示 映像投影設(shè)備 電視墻（tv-wall）

9、 LED 顯示屏顯示屏 LED顯示屏 LED電子顯示屏（ LED panel ）是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的LED器件陣列組成的顯示屏幕。 是集微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷，動態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作性能穩(wěn)定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者。LED顯示屏的分類顯示屏的分類 按基色劃分按基色劃分 單色單色-構(gòu)成LED顯示屏的發(fā)光像元只有一種顏色，一般是紅色或綠色。 雙基色雙基色-構(gòu)成LED顯示屏的發(fā)光像元有紅綠兩種顏色，依靠紅綠兩種基色的不同灰度等級組合可以顯示多種顏色。可以顯示文

10、字、圖片、動畫以及視頻圖像。室內(nèi)雙基色室內(nèi)雙基色手手機(jī)機(jī)背背光光源源LED顯示屏的分類顯示屏的分類 全彩色全彩色-構(gòu)成LED顯示屏的發(fā)光像元有紅綠藍(lán)三種顏色，依靠紅綠藍(lán)三種基色的不同灰度等級組合可以較好地還原自然界的色彩，具有豐富的表現(xiàn)力，從理論上講，其色彩的還原能力超過電視機(jī)， 按控制方式劃分按控制方式劃分 條屏條屏條屏由單片機(jī)控制，主要用于文字顯示，本身可獨(dú)立工作，可用遙控器輸入信息，也可與計算機(jī)通訊，接收計算機(jī)發(fā)來的信息。 圖文屏圖文屏圖文屏由單片機(jī)控制，一般無灰度控制，即發(fā)光像元只有一個亮度等級，通過發(fā)光點(diǎn)的亮或滅組成文字或圖形顯示，雙基色圖文屏可顯示紅綠黃三種顏色 視屏視屏視屏是指L

11、ED屏幕與其控制計算機(jī)的顯示器具有點(diǎn)-點(diǎn)對應(yīng)的映射關(guān)系，條屏 按使用環(huán)境劃分按使用環(huán)境劃分 室內(nèi)室內(nèi)-室內(nèi)屏指LED顯示屏用于室內(nèi)環(huán)境，由于觀看距離短，面積較室外屏小得多，因此像素點(diǎn)也較小，室內(nèi)屏的像素規(guī)格主要有3、3.75、4.8、5以及8 室外室外-室外屏指LED顯示屏用于室外環(huán)境，要求亮度較高，一般采用聚光封裝，犧牲視角換取亮度；在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面要考慮防水、防潮、防腐蝕等措施；室外屏一般面積較大，因此像素點(diǎn)也較大，室外屏的像素規(guī)格主要有11、方12，方15， 19、26、32等LED顯示屏的廣泛應(yīng)用 證券交易、金融信息顯示 場航班動態(tài)信息顯示。航班住處顯示系統(tǒng)（Flight informa

12、tion Display system）. 港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示 體育場館信息顯示 道路交通信息顯示 調(diào)度指揮中心信息顯示 郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示 廣告媒體新產(chǎn)品 演出和集會 展覽會室內(nèi)全彩戶外雙基色室內(nèi)雙基色顯示系統(tǒng)室內(nèi)點(diǎn)陣式全彩 芝加哥千禧公園的中心芝加哥千禧公園的中心裝飾，皇冠噴泉裝飾，皇冠噴泉室外大LED全彩色屏幕城市建筑裝飾燈光工程LED顯示屏發(fā)展趨勢 高亮度、全彩化高亮度、全彩化 藍(lán)色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化 材料、技術(shù)的成熟及市場價格的基本均衡之后，LED顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)

13、化和規(guī)范化將成為LED顯示屏發(fā)燕尾服的一個新趨勢。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化 信息化社會的形成，LED顯示民間的應(yīng)用前景更為廣闊科學(xué)家開發(fā)出新穎的多色科學(xué)家開發(fā)出新穎的多色LED 加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家們在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經(jīng)開發(fā)出第一個基于半導(dǎo)體氮化鎵封裝膠狀量子點(diǎn)的完全無機(jī)多色LED。1、人類照明的歷史2、半導(dǎo)體照明的來臨3、半導(dǎo)體照明發(fā)展現(xiàn)狀4、未來的前景火人類的文明人類照明的歷史燈延續(xù)歷史幾千年1879年愛迪生發(fā)明白熾燈熒光燈將電光源帶入新天地 但是，目前照明和城市美化所用大部分燈具，只有5的電能轉(zhuǎn)換為光能，造成巨大的能量損耗。如果采用LED取代傳統(tǒng)的照明方式，將在環(huán)保、

14、節(jié)能等方面產(chǎn)生巨大的效益。目前我國一年照明耗電量超過2000億千瓦時，占全國用電總量的12。半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)燈后，我國每年可節(jié)約近1000億千瓦時，超過2008年建成后的三峽電站的發(fā)電量照明的要求白光（顯色指數(shù)接近陽光）白光（顯色指數(shù)接近陽光）高亮度高亮度長壽命長壽命低成本低成本半導(dǎo)體照明的來臨一些實際情況下的光照度值無月夜天光在地面上所生的照度 310-4 lm/m2接近天頂?shù)臐M月在地面所生的照度 0.2 lm/m2 辦公室工作時所必須的照度 20100 lm/m2 晴朗的夏日在采光良好的室內(nèi)的照度 100500 lm/m2夏日太陽不直接射到的露天地面的照度 100010000 lm/m2如

15、何使單色的如何使單色的LED發(fā)出白光？發(fā)出白光？1.基于藍(lán)光LED，通過熒光粉激發(fā)出黃光，與藍(lán)光組合成為白光.單芯片：a.InGaN(藍(lán))/YAG熒光粉這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用芯片倒裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進(jìn)，可將色均勻性提高10倍。實驗證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍(lán)移和紅移，但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結(jié)果也較好，5的白光LED在工作1.2萬小時后，光輸出下降80%，而這種功率LED在工作1.2萬小時后，僅下降10%，估計工作5萬小時后下降30%。這種稱為Luxeon的功率LED最高效率達(dá)

16、到44.3lm/w，最高光通量為187lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品可達(dá)120lm，Ra為75-80。GaN基藍(lán)色LED芯片b.InGaN(藍(lán))/紅熒光粉+綠熒光粉Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(綠色)和SrS：Eu2+(紅色)熒光粉，色溫可達(dá)到3000K-6000K的較好結(jié)果，Ra達(dá)到82-87，較前述產(chǎn)品有所提高。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍(lán))熒光粉Cree、日亞、豐田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生產(chǎn)出50mW、385nm405nm的紫外LED；豐田已生產(chǎn)此類白光LED，其Ra大于等于90，但發(fā)光效率還不夠理想；日亞于最近制得365nm、1mm2

17、、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，會有較好效果。ZnSe和OLED白光器件也有進(jìn)展，但離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)尚遠(yuǎn)。.雙芯片：可由藍(lán)LED+黃LED、藍(lán)LED+黃綠LED以及藍(lán)綠LED+黃LED制成，此種器件成本比較便宜，但由于是兩種顏色LED形成的白光，顯色性較差，只能在顯色性要求不高的場合使用。.三芯片(藍(lán)色+綠色+紅色)LED：Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色溫可達(dá)3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，則缺少黃色調(diào)，Ra只能達(dá)到20或30。采用波長補(bǔ)償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程

18、度。美國TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景觀照明的系統(tǒng)產(chǎn)品，用Lumileds制成液晶電視屏幕(22英寸)，產(chǎn)品的性能都不錯。.四芯片(藍(lán)色+綠色+紅色+黃色)LED： 采用465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。Norlux公司用90個三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每個器件光通量達(dá)130lm，色溫為5500K。 白光LED的構(gòu)成方式 2.通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光 3.基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光藍(lán)、綠、白光LED白光LED優(yōu)異的性能固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保 壽命長，可以達(dá)到10萬小時

19、（連續(xù)10年） 低電壓工作 是照明領(lǐng)域的又一次革命半導(dǎo)體照明的來臨美國國家半導(dǎo)體照明計劃 從2000年起國家投資5億美元 到2010年 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈取代 每年節(jié)電達(dá)350億美元 2015年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場 日本日本21世紀(jì)照明計劃世紀(jì)照明計劃 投入資金50億日元 到2007年 30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體照明燈 歐盟的彩虹計劃歐盟的彩虹計劃 應(yīng)用半導(dǎo)體照明實現(xiàn)： 高效 節(jié)能 不使用有害環(huán)境的材料 模擬自然光韓國韓國“固態(tài)照明計劃固態(tài)照明計劃”2004年-2008年韓國政府計劃投入1億美元，企業(yè)提供30%的配套資金，近期開始實施，預(yù)計2008年LED的發(fā)光效率達(dá)到80lm/W中國專家的呼吁 我國有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國務(wù)院呼吁，以三峽工程的5%費(fèi)用，支持我國的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用5-10年的時間的努力，1/3照明應(yīng)用半導(dǎo)體照明，每年可以節(jié)約的電量1000億度，多于一個三峽水電站的發(fā)電量（800億度） 國家