7-第七章-信息顯示材料與器件匯總課件

1、2022/7/141第七章 信息顯示材料與器件2022/7/142發(fā)光機(jī)理和發(fā)光特性顯示器件的主要參量發(fā)光顯示材料受光顯示材料光電顯示材料前景2022/7/143一、發(fā)光機(jī)理及發(fā)光特性1. 發(fā)光機(jī)理根據(jù)發(fā)光機(jī)理的不同，發(fā)光過(guò)程可以分為兩類(lèi)，即分立發(fā)光和復(fù)合發(fā)光。分立發(fā)光：發(fā)光中心受激發(fā)時(shí)并未離化，即激發(fā)和發(fā)射過(guò)程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個(gè)別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光。特點(diǎn)：?jiǎn)畏肿舆^(guò)程，并不伴隨著光電導(dǎo)，又稱(chēng)“非光電導(dǎo)型”發(fā)光。分立發(fā)光又分為自發(fā)發(fā)光和受迫發(fā)光。2022/7/144自發(fā)發(fā)光受迫發(fā)光自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子）在粒子內(nèi)部電場(chǎng)作用下從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)的發(fā)光。其粒子躍遷的幾率基本上決定于發(fā)射體

2、內(nèi)的電場(chǎng)，而不受外界因素影響。受迫發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子）在外界因素的影響下的發(fā)光。其需要經(jīng)過(guò)一個(gè)成為亞穩(wěn)態(tài)的中間過(guò)程才能發(fā)光。2022/7/145復(fù)合發(fā)光發(fā)光材料受激發(fā)時(shí)分離出一對(duì)帶異號(hào)電荷的粒子（一般為正離子或者空穴和電子），這兩種粒子復(fù)合時(shí)的發(fā)光。由于離化的帶電粒子在發(fā)光材料中漂移或擴(kuò)散，從而構(gòu)成特征性光電導(dǎo)，所以又稱(chēng)“光電導(dǎo)型”發(fā)光。單分子過(guò)程雙分子過(guò)程電子在導(dǎo)帶中停留的時(shí)間較短（10-10s）電子在導(dǎo)帶中停留的時(shí)間較長(zhǎng)2022/7/1462. 發(fā)光特點(diǎn)2.1 顏色特征不同的發(fā)光中心，在不同的基質(zhì)材料中，可能發(fā)出不同波長(zhǎng)的光。已知的發(fā)光材料可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光的范圍。吸收光譜和發(fā)射光

3、譜表征發(fā)光材料特性的常用方法。吸收光譜是材料激發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜，相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)就是激發(fā)時(shí)能量對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。發(fā)射光譜反映發(fā)光材料輻射光的情況，對(duì)應(yīng)譜峰的波長(zhǎng)就是發(fā)光的顏色，一般說(shuō)來(lái)其波長(zhǎng)大于吸收光譜的波長(zhǎng)。Zn2SiO4：Mn的發(fā)射光譜和吸收光譜2022/7/147寬帶材料：半寬度100nm，如CaWO4窄帶材料：半寬度50nm，如Sr(PO4)3Cl：Eu3+線譜材料：半寬度0.1nm，如GdVO4：Eu3+依照發(fā)射峰半寬度發(fā)光材料究竟屬于哪一類(lèi)，既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。例如，將Eu2+摻雜在不同的基質(zhì)中，可以得到上述3種類(lèi)型的發(fā)光材料，而且隨著基質(zhì)的改變，發(fā)光的顏色也可以改變。半寬度發(fā)射峰

4、的半寬度2022/7/1482.2 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光效率表征材料的發(fā)光本領(lǐng)。其大小與激發(fā)強(qiáng)度有關(guān)。可以用量子效率、能量效率和光度效率（流明效率）來(lái)表示材料發(fā)光效率的高低。量子效率：發(fā)光量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)之比。能量效率：發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量之比。光度效率：發(fā)光的流明數(shù)與激發(fā)源輸入的能量之比。2022/7/1492.3 發(fā)光持續(xù)時(shí)間（余輝）熒光：激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為10-8秒。只要光源一離開(kāi)，熒光就會(huì)消失。磷光：在激發(fā)源離開(kāi)后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。余輝時(shí)間：當(dāng)激發(fā)停止后，發(fā)光強(qiáng)度衰減到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。極短余輝：余輝時(shí)間1s的發(fā)光2022/7/1410 美國(guó)的“

5、9.11”事件中，由于世貿(mào)中心大樓內(nèi)采用了蓄光型自發(fā)光材料，使1.8萬(wàn)人得以迅速撤離，在國(guó)際上引了極大的轟動(dòng)。該材料具有吸光、蓄光、發(fā)光的性能，吸收各種可見(jiàn)光10-20分鐘，即可在黑暗中連續(xù)發(fā)光12小時(shí)以上，其發(fā)光亮度和發(fā)光時(shí)間是傳統(tǒng)熒光型材料的30-50倍，可廣泛地適用于建筑、裝飾、交通運(yùn)輸、軍事設(shè)施、消防應(yīng)急、工業(yè)、日用品、工藝品等領(lǐng)域。 2022/7/1411常用的發(fā)光材料都是二元或者多元化合物。-：ZnS、ZnO、（Cd，Zn）S、Zn（S，Se）等 紫外光、電子束、電場(chǎng)、X射線或帶電粒子激發(fā)-：GaAlP、GaAlAs、GaP： 發(fā)光二極管 GaN： 結(jié)型場(chǎng)致發(fā)光堿鹵化合物：NaI：

6、Tl、CsI：Tl、LiI：Eu 用于閃爍體氧化物： Y2O3：Eu氟化物： MgF2、ZnF2硫氧化物：Y2O2S：Eu 用于電子束管鎢酸鹽： MgWO4硅酸鹽： CaSiO3：Pb，Mn 2022/7/1412對(duì)于發(fā)光材料，要想得到有效的發(fā)光材料，都要在這些材料中摻雜微量雜質(zhì)。基質(zhì)為半導(dǎo)體，需要一定的導(dǎo)電能力，應(yīng)從施主、受主的角度選擇雜質(zhì)。摻雜的雜質(zhì)在復(fù)合發(fā)光中發(fā)揮作用?；|(zhì)為高阻半導(dǎo)體或絕緣體，需要從發(fā)光中心的角度選擇雜質(zhì)。摻雜的雜質(zhì)包括過(guò)渡族元素、類(lèi)汞元素、重金屬及稀土元素。2022/7/1413二.顯示器件的主要參量由于顯示器件可用來(lái)重現(xiàn)圖像圖形、顯示信號(hào)波形和參數(shù)，因此對(duì)顯示器件來(lái)

7、說(shuō)最重要的是顯示彩色圖像的質(zhì)量。CRT顯示器高的性價(jià)比和高性能的圖像質(zhì)量 LCD和PDP等平板顯示器因不斷下降的價(jià)格和提高的圖像質(zhì)量占據(jù)了越來(lái)越多的市場(chǎng)份額。2022/7/14141.亮度亮度指垂直于光束傳播方向上的單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度。單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。 顯示器件畫(huà)面亮度的要求與環(huán)境光強(qiáng)有關(guān)。例如，電影院中電影亮度要有3045cd/m2；室內(nèi)電視則要大于70cd/m2；室外觀看則要求畫(huà)面亮度應(yīng)達(dá)到300cd/m2。所以對(duì)高質(zhì)量顯示器亮度的要求應(yīng)為300cd/m2。2022/7/14152.對(duì)比度和灰度對(duì)比度：畫(huà)面上最大亮度（Lmax）和最小亮度（Lmin）之比。好的圖像顯示

8、要求顯示器的對(duì)比度至少要大于30，這是在普通觀察環(huán)境光下的數(shù)據(jù)。而主動(dòng)顯示器的對(duì)比度比被動(dòng)顯示器的高。2022/7/1416灰度：畫(huà)面上亮度的等級(jí)差別。以亮度 倍發(fā)光強(qiáng)度的變化劃分等級(jí)。日常生活中，一般照片、圖像的最大灰度不過(guò)100左右，在電視技術(shù)中，用10個(gè)灰度級(jí)來(lái)表示。通常電視接收機(jī)所重現(xiàn)的圖像能達(dá)到78個(gè)灰度就足夠了?；叶燃?jí)越多，圖像層次越分明，圖像越柔和。圖像顯示需要灰度級(jí)別，字碼、圖表、圖形只需有較高的對(duì)比度即可。 2022/7/14173.分辨率分辨率 顯示器在顯示圖像時(shí)，分辨率用點(diǎn)來(lái)衡量，顯示器上這個(gè)“點(diǎn)”就是像素(pixel)。顯示分辨率的數(shù)值是指整個(gè)顯示器所有可視面積上水平像

9、素和垂直像素的數(shù)量。例如800600的分辨率，是指在整個(gè)屏幕上水平顯示800個(gè)像素，垂直顯示600個(gè)像素。只有兼?zhèn)涓叻直媛?、高亮度和高?duì)比度的圖像才可能是高清晰的圖像，所以上述三個(gè)指標(biāo)是獲得高質(zhì)量圖像顯示所必不可少的。2022/7/14184.響應(yīng)時(shí)間、余輝時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指從施加電壓到出現(xiàn)圖像顯示的時(shí)間，又稱(chēng)上升時(shí)間。從切斷電源到圖像顯示消失的時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間，又稱(chēng)余輝時(shí)間。電視圖像顯示時(shí)需要小于1/30s的響應(yīng)時(shí)間，而響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間加起來(lái)小于50ms。一般主動(dòng)發(fā)光型顯示器件的響應(yīng)時(shí)間都可小于0.1ms，而非主動(dòng)發(fā)光型的LCD顯示器件的響應(yīng)時(shí)間為4500ms。2022/7/14195.顯示

10、顏色顯示顏色分黑白、單色、多色和全色四類(lèi)。大部分發(fā)光型平板顯示器實(shí)現(xiàn)紅光和綠光比較容易，但在實(shí)現(xiàn)彩色顯示中必不可少的藍(lán)光顯示就會(huì)遇到很大的困難。如高效率的藍(lán)光LED近幾年才研制成功，而高效率的藍(lán)光EL卻遲遲未能開(kāi)發(fā)出來(lái)，影響了它的使用。非發(fā)光型的LED則是在黑白顯示屏上附加濾色膜后實(shí)現(xiàn)彩色顯示的。2022/7/14206.發(fā)光效率發(fā)光效率是發(fā)光型顯示器件所發(fā)出的光通量與器件所消耗功率之比，單位為lm/W。VFD的發(fā)光效率為10 lm/W；LED隨材料的不同為14 lm/W；OLED為15 lm/W；PDP的發(fā)光效率為1 lm/W；其它主動(dòng)發(fā)光型顯示器件的發(fā)光效率只有0.1 lm/W量級(jí)。202

11、2/7/14217.其它參數(shù)顯示器件的其它參數(shù)還有壽命、體積、重量、顯示面積、觀察視角及性能價(jià)格比等。2022/7/1422各種光電顯示器件性能比較2022/7/1423三.發(fā)光顯示材料電子束激發(fā)的發(fā)光材料陰極射線管CRTFED發(fā)光材料真空熒光顯示VFD電場(chǎng)激發(fā)顯示材料電致發(fā)光材料EL發(fā)光二極管LED等離子體顯示（PDP）材料2022/7/14241858年，蓋斯勒在自制的玻璃管中陰極和陽(yáng)極之間發(fā)現(xiàn)了稀薄氣體放電現(xiàn)象。 1875年，克魯克斯經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)，證明陰極射線是由粒子組成的。 1892年，舒斯特做了陰極射線實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了陰極射線是由帶負(fù)電的粒子組成的。 陰極射線的本質(zhì)4. 1897年，英

12、國(guó)湯姆遜測(cè)出陰極射線粒子的電荷與質(zhì)量的比值，并且把射線中的粒子定名為電子發(fā)現(xiàn)電子。1. 陰極射線管CRT2022/7/1425陰極射線致發(fā)光過(guò)程電離過(guò)程 高能電子束激發(fā)發(fā)光材料時(shí)，基質(zhì)晶體吸收激發(fā)能，引起基質(zhì)價(jià)帶或者滿帶電子的電離；電子和空穴的輸運(yùn)過(guò)程 產(chǎn)生的電子和空穴分別在晶體中擴(kuò)散輸運(yùn)；電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光過(guò)程2022/7/1426電子槍聚焦系統(tǒng)加速電極偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏工作原理：在電子槍中，陰極被燈絲間接加熱至約2000 K時(shí)，陰極發(fā)射大量的電子，經(jīng)加速、聚焦、偏轉(zhuǎn)后轟擊熒光屏上的熒光粉，發(fā)出可見(jiàn)光。電子束的電流受顯示信號(hào)控制，信號(hào)電壓高，電子束電流也越高，熒光粉發(fā)光亮度也越高。2022/7/

13、1427CRT熒光粉 CRT熒光粉有上百種，一般具有高的發(fā)光效率和各種各樣的發(fā)射光譜。制備CRT發(fā)光材料的原材料要求具有較高的純度。即使有害雜質(zhì)的含量極小，也會(huì)使發(fā)光性能有明顯變化。例如，F(xiàn)e、Co、Ni、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)110-7，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)510-8。熒光粉由基質(zhì)、激活劑和助溶劑組成。熒光粉基質(zhì)可分為： 氧化物：ZnO：Zn 硫化物：ZnS：Cu，Al；CdS 硅酸鹽：Zn2SiO4：Mn2+ 鎢酸鹽：CaWO4 稀土化合物：Y2O3；YGdO2S：Tb為降低基質(zhì)結(jié)晶溫度，促進(jìn)晶體形成和長(zhǎng)大，并使激活劑易于進(jìn)入晶格中而加入的物質(zhì)。往往不含在最終產(chǎn)品中。雜 質(zhì) 激活劑：對(duì)某種特定

14、的化合物起激活作用，使原來(lái)不發(fā)光或發(fā)光很微弱的材料發(fā)光，如ZnS: Ag共激活劑：與激活劑協(xié)同激活基質(zhì)的雜質(zhì)，摻入后有利于發(fā)光中心的形成，稱(chēng)為共激活劑，如ZnS：Cu，Al敏化劑：能夠?qū)⑺盏哪芰總鹘o發(fā)光中心，有助于激活劑引起的發(fā)光，使發(fā)光亮度增加，稱(chēng)為敏化劑，如YF3：Yb，Er猝滅劑：損害發(fā)光性能，使發(fā)光強(qiáng)度降低的雜質(zhì)。如Fe、Co、Ni等惰性雜質(zhì)：對(duì)發(fā)光性能影響較小，對(duì)發(fā)光亮度和顏色不起直接作用的雜質(zhì)，如堿金屬、堿土金屬等。2022/7/1429制備工藝 （以Y2O3:Eu為例）按分子式（Y0.96Eu0.04）2O3配好料，與適量助熔劑（NH4Cl，Li2SiO3）混磨均勻，裝入石英

15、坩堝或者氧化鋁坩堝中，在1340下灼燒12h，高溫出爐，冷至室溫，在253.7nm紫外光激發(fā)下選粉，用去離子水洗至中性，然后包膜處理。CRT典型發(fā)光粉特性2022/7/14312. FED發(fā)光材料發(fā)光機(jī)理：屬于電子射線激發(fā)發(fā)光（陰極發(fā)光）。將強(qiáng)電場(chǎng)集中在陰極上面的圓錐形發(fā)射極上，通過(guò)電場(chǎng)使電子發(fā)射到真空中（FED由此而來(lái)，這種陰極稱(chēng)為冷陰極）。FED把無(wú)數(shù)微米尺寸的微小陰極（發(fā)射極）配置在平面上，陰極和陽(yáng)極之間的間隔為200微米至幾毫米左右，從而最終實(shí)現(xiàn)平板顯示。特點(diǎn)：圖像質(zhì)量好，耗能低，體積薄，亮度高。FED基本結(jié)構(gòu)2022/7/1433項(xiàng)目CRTFED陰極類(lèi)型熱陰極冷陰極加速電壓1530k

16、V3008000V掃描方式逐點(diǎn)掃描矩陣式逐行掃描尋址時(shí)間ns量級(jí)幾十s2022/7/1434FED發(fā)光材料FED采用矩陣式逐行掃描方式，尋址時(shí)間較長(zhǎng)（幾十微秒），使發(fā)光粉庫(kù)侖負(fù)載較大，容易發(fā)光飽和并老化。滿足FED使用條件的熒光粉：ZnO:Zn、ZnCa2O4（藍(lán)光）、ZnCa2O4:Mn（綠粉）、Gd2O2S:Tb（綠粉）、Y2O2S:Eu（紅粉）。缺點(diǎn)：亮度偏低，開(kāi)發(fā)新型FED發(fā)光粉成為當(dāng)務(wù)之急。2022/7/14353. 真空熒光顯示（VFD）VFD(vacuum fluorescence display)是1967年由伊勢(shì)電子工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的光電顯示器件，它是以數(shù)十伏電壓的、低速的數(shù)十毫

17、安的電子流激發(fā)熒光體。用途：作為文字和數(shù)字的顯示器件，用于家電產(chǎn)品、AV產(chǎn)品、車(chē)載設(shè)備和測(cè)試設(shè)備等方面。2022/7/1436VFD基本結(jié)構(gòu)1-表面玻璃；2-陰極；3-柵極；4-熒光體；5-陽(yáng)極；6-玻璃襯底基本原理：當(dāng)對(duì)涂有氧化材料的陰極加熱時(shí)，它在近650度時(shí)發(fā)射熱電子，熱電子被金屬網(wǎng)柵加速后，再轟擊陽(yáng)極的熒光物質(zhì)發(fā)光。結(jié)構(gòu)：玻璃面板 陰極 柵極 陽(yáng)極（涂熒光物質(zhì)） 玻璃襯底2022/7/1437燈絲：直徑為1020m的鎢絲用熱電子發(fā)射率 高的氧化物涂覆柵極：開(kāi)孔度大的篩網(wǎng)狀極薄不銹鋼板熒光材料：ZnO：Zn（藍(lán)綠色）2022/7/14384.電致發(fā)光材料EL無(wú)機(jī)電致發(fā)光材料有機(jī)電致發(fā)光材

18、料粉末發(fā)光材料薄膜發(fā)光材料發(fā)光二極管2022/7/1439無(wú)機(jī)電致發(fā)光材料在直流或者交流電場(chǎng)作用下，依靠電流和電場(chǎng)的激發(fā)使材料發(fā)光的現(xiàn)象，又稱(chēng)場(chǎng)致發(fā)光。相應(yīng)的材料稱(chēng)為電致發(fā)光（場(chǎng)致發(fā)光）材料。1920年德國(guó)學(xué)者古登和波爾發(fā)現(xiàn)，某些物質(zhì)加上電壓后會(huì)發(fā)光，人們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致發(fā)光或場(chǎng)致發(fā)光（EL）。1936年，德斯垂將ZnS熒光粉浸入蓖麻油中，并加上電場(chǎng)，熒光粉便能發(fā)出明亮的光。1947年美國(guó)學(xué)者麥克馬斯發(fā)明了導(dǎo)電玻璃，多人利用這種玻璃做電極制成了平面光源，但由于當(dāng)時(shí)發(fā)光效率很低，還不適合作照明光源，只能勉強(qiáng)作顯示器件。70年代后，由于薄膜技術(shù)帶來(lái)的革命，薄膜晶體管（TFT）技術(shù)的發(fā)展場(chǎng)致發(fā)光（

19、EL）在壽命、效率、亮度、存儲(chǔ)上的技術(shù)有了相當(dāng)?shù)奶岣?。使得?chǎng)致發(fā)光（EL）成為在顯示技術(shù)中最有前途的發(fā)展方向之一。 2022/7/1440電致發(fā)光（EL）按激發(fā)過(guò)程的不同分為兩大類(lèi)：本征型電致發(fā)光：熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下在晶體內(nèi)部加速，碰撞發(fā)光中心并使其激發(fā)或離化，電子在回復(fù)到基態(tài)時(shí)輻射發(fā)光。注入式電致發(fā)光：直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子與空穴在晶體內(nèi)再?gòu)?fù)合時(shí)，以光的形式釋放出多余的能量。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（LED）；2022/7/1441第一類(lèi)大致分成：交流薄膜電致發(fā)光（ACEL）;直流薄膜電致發(fā)光（DCEL）;交流粉末電致發(fā)光（

20、ACTFEL）;直流粉末電致發(fā)光（DCTFEL）。2022/7/1442交流高場(chǎng)薄膜電致發(fā)光（TFEL）ACTFEL結(jié)構(gòu)示意圖1 金屬電極 ：Al2 絕緣層 ： Y2O33 發(fā)光層 ： ZnS：Mn4 絕緣層 ： Y2O35 透明電極： ITO6 玻璃襯底2022/7/1443目前的ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結(jié)構(gòu)。器件由三層組成，如圖所示。器件由三層組成，發(fā)光層夾在兩絕緣層間，起消除漏電流與避免擊穿的作用。摻不同雜質(zhì)則發(fā)不同的光，其中摻Mn的發(fā)光效率最高，加200V，5000Hz電壓時(shí)，亮度高達(dá)5000cd/m2。2022/7/1444ACTFEL優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)（大于2萬(wàn)小時(shí)），

21、亮度高，工作溫度寬（-55+125） 缺點(diǎn)是只有摻Mn的發(fā)光效率高，且為橙黃色。對(duì)全色顯示要求的三基色，研制高效的發(fā)光材料是當(dāng)今研究的課題。EL器件目前已被應(yīng)用在背光源照明上，在汽車(chē)、飛機(jī)及其他設(shè)備儀器儀表、手機(jī)、手表、電子鐘、LCD模塊、筆記本電腦顯示器等方面獲得應(yīng)用。也作為交通安全標(biāo)志，公司標(biāo)志，出口通道等發(fā)光指示牌上的發(fā)光顯示器件。2022/7/1445交流粉末電致發(fā)光ACEL結(jié)構(gòu)圖2022/7/1446交流電致發(fā)光是目前高場(chǎng)電致發(fā)光的主流。ACEL結(jié)構(gòu)如圖所示。它是將電致發(fā)光粉ZnS:Cu，Cl或（Zn，Cd）S:Cu，Br混合在有機(jī)介質(zhì)（環(huán)氧樹(shù)脂和氰乙基醣的混合物）中，兩端夾有電極，

22、其中一個(gè)為透明電極。另一個(gè)是真空蒸鍍鋁或銀電極，構(gòu)成一個(gè)EL。實(shí)質(zhì)上，ACEL是大量幾微米到幾十微米的發(fā)光粉狀晶體懸浮在絕緣介質(zhì)中的發(fā)光現(xiàn)象，也稱(chēng)德斯垂效應(yīng)。ACEL所加的電壓通常為數(shù)百伏。發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)3.4105cd/m2，總體發(fā)光亮度約40cd/m2功率轉(zhuǎn)換效率為1%，壽命約1000小時(shí)。 2022/7/1447幾種電致發(fā)光粉特性2022/7/1448發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED） 是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過(guò)的載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，發(fā)出某種顏色的光或者白光。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作

23、為光源制造出來(lái)的照明器具。 發(fā)光二極管LED2022/7/1449LED發(fā)光原理 發(fā)光二極管一般由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般PN結(jié)的特性，即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如右圖所示。2022/7/1450 假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被

24、非發(fā)光中心捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。 理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度有關(guān)，即 1240/Eg（nm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光760nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。2022/7/1451LED優(yōu)點(diǎn)高節(jié)能：直流驅(qū)動(dòng)，超低功耗（單管0.

25、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(chēng)它為長(zhǎng)壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，燈體內(nèi)也沒(méi)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。 利環(huán)保：環(huán)保效益更佳，光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，既沒(méi)有熱量，也沒(méi)有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒(méi)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

26、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)。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25625625616777216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。 2022/7/1452發(fā)光二極管用發(fā)光材料發(fā)光二極管用材料要求具有如下特性：發(fā)光在可見(jiàn)光區(qū)，禁帶寬度3.26eV Eg1.63eV；材料必須容易做成n型及p型；具有高效率的發(fā)光中心或復(fù)合發(fā)光；效率降至初始值一半的時(shí)間大于105h；材料要能生長(zhǎng)成單晶，能規(guī)?；a(chǎn)。2022/7/1453常用LED材

27、料二元化合物：GaP（紅綠）、GaN（紅綠藍(lán)黃白）、GaAs和SiC等；三元化合物：控制混晶的成分比可以改變禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)多色化，AlxGa1-xAs、GaAs1-xPx、In1-xGaxP和In1-xAlxP等；四元化合物：可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)控制禁帶寬度與晶格常數(shù)，如InGaAsP在室溫下能實(shí)現(xiàn)0.553.40m波長(zhǎng)的發(fā)光。2022/7/14542003年6月，中國(guó)科技部聯(lián)合信息產(chǎn)業(yè)部、中國(guó)科學(xué)院等8個(gè)部門(mén)，和北京、上海等15個(gè)地方政府全面啟動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體照明工程，旨在迎接新的照明革命，加速我國(guó)半導(dǎo)體材料、芯片、封裝及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化支撐技術(shù)方面突破。中國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 2004年3月 上海

28、上海張江（預(yù)測(cè)2010年，上海半導(dǎo)體燈產(chǎn)業(yè)將實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售額 100 120億元人民幣，出口創(chuàng)匯 35億美元 ）2004年4月 廈門(mén) 廈門(mén)三安、明達(dá)光電、乾照光電芯片（總產(chǎn)量占大陸芯片產(chǎn)量的25%，達(dá)70億粒 ）2004年4月 大連 大連路美芯片科技有限公司（1.5億美元）2004年5月 南昌 江西聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司 2005年4月 深圳 世紀(jì)晶源 （中外合資，注冊(cè)資金8億元）國(guó)家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地2022/7/1455有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）又稱(chēng)有機(jī)發(fā)光二極管，是以有機(jī)薄膜作為發(fā)光體的自發(fā)光顯示器件。OLED：有機(jī)電致發(fā)光可以卷起來(lái)的顯示器 自發(fā)光，視角廣達(dá)170o以上 反應(yīng)時(shí)間快（

29、微秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間，1s），無(wú)一般LCD 殘影現(xiàn)象 高亮度（100-14000cd/m2） 高流明效率（16-38lm/W） 低操作電壓（3-9V DC），低功率消耗 全彩化 面板厚度?。?mm） 可制作大尺寸與可撓曲性面板 可使用溫度范圍大 制作簡(jiǎn)單，規(guī)模量產(chǎn)后，可比LED節(jié)省成本20%OLED優(yōu)點(diǎn)2022/7/1457OLED已成為當(dāng)今超薄、大面積平板顯示器件研究的熱門(mén)。1963年P(guān)ope發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)OLED的文獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)使用數(shù)百伏電壓，加在有機(jī)芳香族Anthracene（葸）晶體上時(shí)，觀察到發(fā)光現(xiàn)象。但由于電壓過(guò)高，發(fā)光效率低，未得到重視。直到1987年伊士曼柯達(dá)公司的C.W. Ta

30、ng及Steve Van Slyke等人發(fā)明以真空蒸鍍法制成多層式結(jié)構(gòu)的OLED器件后，研究開(kāi)發(fā)才活越起來(lái)。同年，英國(guó)劍橋大學(xué)Jeremy Burroughes證明高分子有機(jī)聚合物也有電致發(fā)光效應(yīng)。1990年英國(guó)劍橋大學(xué)的Friend等人成功的開(kāi)發(fā)出以涂布方式將多分子應(yīng)用在OLED上，即Polymer（多聚物，聚和物） LED，亦稱(chēng)PLED。不但再次引發(fā)第二次研究熱潮，更確立了OLED在二十一世紀(jì)產(chǎn)業(yè)中所占的重要地位。2022/7/1458OLED發(fā)光機(jī)制OLED的發(fā)光機(jī)理：在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，由電極注入的電子和空穴在有機(jī)物中復(fù)合而釋放出能量，這些能量傳遞給有機(jī)發(fā)光物質(zhì)的分子，使其從基態(tài)躍遷到激

31、發(fā)態(tài)，當(dāng)受激分子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，輻射躍遷產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。這些釋放出來(lái)的能量中，通常由于發(fā)光材料的選擇及電子自旋的特性，只有25%（單重態(tài)到基態(tài)）的能量可以用來(lái)當(dāng)作OLED的發(fā)光，其余75%（三重態(tài)到基態(tài)）的能量以磷光或熱的形式回歸到基態(tài)。2022/7/1459 有機(jī)電致發(fā)光材料 按功能分：電子傳輸材料空穴傳輸材料發(fā)光材料組裝陰極ETLEmitterHTLITO玻璃Triple layer structure for OEL devices2022/7/1460 一般是具有大的共軛平面的芳香族化合物，它們大都具有良好的接受電子的能力。 電子傳輸材料1,3,4噁二唑化合物吡啶環(huán)2022/7/14

32、61空穴傳輸材料 一般為芳香多胺類(lèi)化合物，因?yàn)槎嗉?jí)胺的N原子具有很強(qiáng)的給電子能力，在電子的不間斷給出過(guò)程中表現(xiàn)出空穴的遷移特性。 TPDNPD有機(jī)電致發(fā)光過(guò)程載流子注入：在外加電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別從陰極和陽(yáng)極注入夾在電極之間的有機(jī)功能薄膜層載流子遷移：注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移載流子復(fù)合：電子和空穴結(jié)合產(chǎn)生激子激子遷移：激子在電場(chǎng)作用下遷移，將能量傳遞給發(fā)光中心電致發(fā)光：激發(fā)態(tài)電子通過(guò)輻射光子釋放能量2022/7/1463OLED屬有機(jī)分子為主的非晶半導(dǎo)體器件，而無(wú)機(jī)發(fā)光器件（EL）則是以原子為主。OELD的特性主要來(lái)自其分子之作用力；而EL是來(lái)自其原子之作

33、用力。有機(jī)分子是共價(jià)鍵化合物，因其電子被局域化，故導(dǎo)電性不佳。然而有一類(lèi)有機(jī)分子因其具有-電子，而在適當(dāng)組合下，這些-電子不會(huì)被局域化，而其鍵結(jié)是以單、雙鍵方式交互形成（稱(chēng)為共軛分子），而其特性因-電子能夠在其共軛-軌道上移動(dòng)，故具有導(dǎo)電性。利用此類(lèi)單體分子便能聚合產(chǎn)生“共軛聚合物”。最早的共軛聚合物即為聚乙烯，其具有高導(dǎo)度。2022/7/1464有機(jī)半導(dǎo)體:導(dǎo)電程度介于導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間，應(yīng)用范圍非常廣，多用于電磁波遮蔽體、抗靜電涂布等。而利用其摻雜及去摻雜的行為，可用于充電式電池、智能電變色窗、太陽(yáng)電池、光存儲(chǔ)、非線性光學(xué)器件等。當(dāng)前最熱門(mén)的應(yīng)用則是OLED。目前正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。OLED在

34、材料與技術(shù)專(zhuān)利部分主要有兩大陣營(yíng)，分別為小分子及高分子材料。目前OLED量產(chǎn)的產(chǎn)品有90%以上為被動(dòng)式單色或多彩小尺寸顯示器，應(yīng)用市場(chǎng)主要為手機(jī)、PDA、手持游戲機(jī)和數(shù)字相機(jī)等。若從技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，OLED將會(huì)往主動(dòng)式、全彩和大尺寸發(fā)展，進(jìn)而直接威脅TFT-LCD和PDP等平面顯示器的市場(chǎng)。2022/7/14655. 等離子體顯示材料什么是等離子體 等離子體就是被激發(fā)電離氣體，達(dá)到一定的電離度，氣體處于導(dǎo)電狀態(tài)，這種狀態(tài)的電離氣體就表現(xiàn)出集體行為，即電離氣體中每一帶電粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)影響到其周?chē)鷰щ娏Ｗ?，同時(shí)也受到其他帶電粒子的約束。由于電離氣體整體行為表現(xiàn)出電中性，也就是電離氣體內(nèi)正負(fù)

35、電荷數(shù)相等，稱(chēng)這種氣體狀態(tài)為等離子體態(tài)。由于它的獨(dú)特行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)都截然不同，故稱(chēng)之為物質(zhì)第四態(tài)。 2022/7/1466 看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見(jiàn)的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99。 等離子體可分為兩種：高溫和低溫等離子體。高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的。太陽(yáng)和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的99。低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。 等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，可以利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)控制等離子體。如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的

36、技術(shù)和工藝。 2022/7/1467電流電壓ABC：非自持放電，靠紫外線、宇宙射線作用使氣體產(chǎn)生微弱電離。達(dá)到C點(diǎn)后氣體被擊穿，變成不穩(wěn)定的自持放電，并開(kāi)始發(fā)光，此時(shí)的電壓稱(chēng)為著火電壓。EF區(qū)正常輝光放電區(qū)，相應(yīng)的電壓為維持電壓異常輝光放電弧光放電2022/7/1468等離子體發(fā)光原理圖(a) 電子同正離子復(fù)合； （b）正負(fù)離子復(fù)合等離子體發(fā)光原理：氣體的電子獲得足夠的能量后，可以完全電離。一方面，這種電子具有較大的動(dòng)能，能在氣體中高速飛行，同時(shí)與其他粒子碰撞，使得更多粒子電離。另一方面，電離的粒子之間也會(huì)發(fā)生復(fù)合，并以光的形式釋放出能量。2022/7/1469 等離子顯示 等離子體顯示器(P

37、lasma Display Panel，PDP) 等離子體顯示器的工作原理與一般日光燈原理相似，它在顯示平面上安裝數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的等離子管作為發(fā)光體（象素）。每個(gè)發(fā)光管有兩個(gè)玻璃電極、內(nèi)部充滿氦、氖等惰性氣體，其中一個(gè)玻璃電極上涂有三基色熒光粉。當(dāng)兩個(gè)電極間加上高電壓時(shí)，引發(fā)惰性氣體放電，產(chǎn)生等離子體。等離子產(chǎn)生的紫外線激發(fā)涂有熒光粉的電極而發(fā)出不同的由三基色混合的可見(jiàn)光。每個(gè)等離子體發(fā)光管就是我們所說(shuō)的等離子體顯示器的像素，我們看到的畫(huà)面就是由這些等離子體發(fā)光管形成的“光點(diǎn)”匯集而成的。A 單色等離子體顯示基本結(jié)構(gòu) Ne-Ar混合氣體在一定電壓下產(chǎn)生氣體放電，發(fā)射出582nm橙色光。AC-PDP

38、DC-PDP2022/7/1471介質(zhì)層：電極通過(guò)介質(zhì)層以電容的形式耦合到氣隙中；MgO保護(hù)層：降低器件工作電壓，同時(shí)耐離子轟擊，提高器件工作壽命。B 彩色等離子體顯示基本結(jié)構(gòu)對(duì)向放電式表面放電式2022/7/1472等離子體發(fā)光材料等離子體氣體材料主要是惰性氣體，特別是以氖氣為主，另外摻雜一些其它氣體。Ne + He、Ne + Ar： 橙紅色光He + Xe： 紫外光2022/7/1473PDP用三基色熒光粉 應(yīng)滿足如下條件：在真空紫外區(qū)高效吸收；在同一放電電流時(shí)，通過(guò)三基色熒光粉發(fā)光混合獲得白光；具有鮮明的色彩度；穩(wěn)定性好；涂粉和熱處理工藝具有穩(wěn)定性；余輝時(shí)間短。2022/7/1474PD

39、P三基色氧化物熒光粉2022/7/1475四.受光顯示材料液晶顯示材料電致變色顯示材料電泳著色顯示材料2022/7/14766. 液晶顯示材料1888年奧地利植物學(xué)家Reinitzer在顯微鏡中觀察到膽甾醇苯甲酸酯(俗稱(chēng)膽固醇)在145.5時(shí)，熔化成一種霧濁液體，在178.5時(shí)，突然全部變成清亮的液體。當(dāng)冷卻時(shí)，先出現(xiàn)紫藍(lán)色，而后自行消失，物質(zhì)再呈混濁狀液體。某些有機(jī)物的結(jié)晶，受熱熔融或被溶解之后，失去了固態(tài)物質(zhì)的剛性，產(chǎn)生了流動(dòng)性，表觀上看似乎由結(jié)晶態(tài)變成液態(tài)，但這種流動(dòng)性物質(zhì)的分子仍然保持著有序排列，在物理性質(zhì)上呈現(xiàn)各向異性，這種各向異性的流動(dòng)液體再繼續(xù)加熱，則得到各向同性的液體。也就是說(shuō)

40、，某些結(jié)晶熔化時(shí)，要經(jīng)過(guò)一種兼有液體和晶體的部分性質(zhì)的流體的過(guò)渡狀態(tài)。物質(zhì)的這種既有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的分子排列整齊、各向異性的狀態(tài)，叫做物質(zhì)的液晶態(tài)。2022/7/14772022/7/1478液晶分子的特點(diǎn)：液晶分子的幾何形狀與球狀分子相比發(fā)生了明顯的伸長(zhǎng)或扁化。分子末端含有強(qiáng)極性或易于極化的原子或原子團(tuán)，使分子保持取向有序。 液晶分子長(zhǎng)軸不易彎曲，有一定的剛性。生成液晶相的能力以及液晶相的穩(wěn)定性與前三個(gè)因素的強(qiáng)弱有關(guān)，是三個(gè)特性的綜合體現(xiàn)。2022/7/1479液晶的分類(lèi)根據(jù)液晶的形成條件，可將液晶分為溶致型、熱致型。溶致型液晶利用合適的溶劑制成一定濃度的溶液，當(dāng)此濃度超過(guò)某一臨界值時(shí)才顯示液晶的性質(zhì)。熱致型液晶是在一定溫度區(qū)間，即在Tc（由晶態(tài)轉(zhuǎn)入液晶態(tài)的溫度）和Ti(由液晶態(tài)轉(zhuǎn)入無(wú)序液體的溫度)之間的溫度范圍內(nèi)形成液晶態(tài)。作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶2022/7/1480熱致液晶的相變有以下兩種：晶體各向同性液體液晶相晶體液晶相各向同性液體、互變相變型、單變相變型2022/7/1481根據(jù)液晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，可將液晶又分為三類(lèi)： 向列型液晶、近晶型液晶、膽甾型液晶。2022/7/1482向