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(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)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(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)半導(dǎo)體發(fā)光器件主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)LED）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏，）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏，事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極

2、管。發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。 LED具有高亮度、視覺(jué)遠(yuǎn)大、圖像清晰、色彩鮮艷、具有高亮度、視覺(jué)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)穩(wěn)定性好、功耗低、光效高、壽命長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng) LED是由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過(guò)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(guò)時(shí)，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(hào) ，單位 流明 Lm， 說(shuō)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(hào)為L(zhǎng)m） 光強(qiáng)光強(qiáng)：符號(hào) I，單位 坎德拉 cd 定義為波長(zhǎng)為550nm的單色光源發(fā)光時(shí)，如果它在某一方向上的輻射強(qiáng)度為1/681（W/sr)，稱(chēng)此單色光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)。說(shuō)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(hào)是E，照度單位是勒克斯（lx），計(jì)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(shí)的照度。夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈的中午地面照度約50000勒（lx），冬天晴天時(shí)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(hào) L，單位 尼脫 cd/m2，說(shuō)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：?jiǎn)挝?每瓦流明 Lm/w，說(shuō)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(lái)表示 平均壽命平均壽命：?jiǎn)挝?小時(shí)，說(shuō)明 指光源強(qiáng)度下降至50%時(shí)的小時(shí)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(duì)顏色的 還原越好，觀察到的顏色就越接近自然色。國(guó)際照明委員會(huì)CIE把太陽(yáng)的顯色指數(shù)定為Ra=100，各類(lèi)光源的顯色指數(shù)各不相同。顯色性是照明裝飾設(shè)計(jì)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(zhǎng)與禁帶寬度Eg相對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)的顯示屏2.可視

6、角度大3.與無(wú)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(jiǎn)單缺點(diǎn)：1.亮度低2.穩(wěn)定性相對(duì)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(jià)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(kāi)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(lèi) 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(wú)色：出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色：可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類(lèi)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(lèi) 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(guò)一定的控制方式，用于顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、行情、視頻、錄像信號(hào)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(jì)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(dòng)態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長(zhǎng)，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(lèi)顯示屏的分類(lèi) 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(jí)組合可以顯示多種顏色?？梢燥@示文

10、字、圖片、動(dòng)畫(huà)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(lèi)顯示屏的分類(lèi) 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(jí)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(guò)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(jì)算機(jī)通訊，接收計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的信息。 圖文屏圖文屏圖文屏由單片機(jī)控制，一般無(wú)灰度控制，即發(fā)光像元只有一個(gè)亮度等級(jí)，通過(guò)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(jì)算機(jī)的顯示器具有點(diǎn)-點(diǎn)對(duì)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(jì)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(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示。航班住處顯示系統(tǒng)（Flight informa

12、tion Display system）. 港口、車(chē)站旅客引導(dǎo)信息顯示 體育場(chǎng)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(chǎng)購(gòu)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(huì) 展覽會(huì)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(shì) 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(lái)，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(chǎng)價(jià)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L(zhǎng)ED顯示屏發(fā)燕尾服的一個(gè)新趨勢(shì)。 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(huì)的形成，LED顯示民間的應(yīng)用前景更為廣闊科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新穎的多色科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新穎的多色LED 加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第一個(gè)基于半導(dǎo)體氮化鎵封裝膠狀量子點(diǎn)的完全無(wú)機(jī)多色LED。1、人類(lèi)照明的歷史2、半導(dǎo)體照明的來(lái)臨3、半導(dǎo)體照明發(fā)展現(xiàn)狀4、未來(lái)的前景火人類(lèi)的文明人類(lèi)照明的歷史燈延續(xù)歷史幾千年1879年愛(ài)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(guó)一年照明耗電量超過(guò)2000億千瓦時(shí)，占全國(guó)用電總量的12。半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)燈后，我國(guó)每年可節(jié)約近1000億千瓦時(shí)，超過(guò)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(yáng)光）白光（顯色指數(shù)接近陽(yáng)光）高亮度高亮度長(zhǎng)壽命長(zhǎng)壽命低成本低成本半導(dǎo)體照明的來(lái)臨一些實(shí)際情況下的光照度值無(wú)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(shí)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(yáng)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(guò)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(shí)驗(yàn)證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍(lán)移和紅移，但對(duì)熒光光譜影響并不大。壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較好，5的白光LED在工作1.2萬(wàn)小時(shí)后，光輸出下降80%，而這種功率LED在工作1.2萬(wàn)小時(shí)后，僅下降10%，估計(jì)工作5萬(wàn)小時(shí)后下降30%。這種稱(chēng)為L(zhǎng)uxeon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(lèi)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(huì)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(chǎng)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(zhǎng)補(bǔ)償和光通量反饋方法可使色移動(dòng)降到可接受程

18、度。美國(guó)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(cuò)。.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(gè)三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每個(gè)器件光通量達(dá)130lm，色溫為5500K。 白光LED的構(gòu)成方式 2.通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光 3.基于紫外光LED，通過(guò)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(zhǎng)，可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)

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(lái)臨美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 從2000年起國(guó)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(chǎng) 日本日本21世紀(jì)照明計(jì)劃世紀(jì)照明計(jì)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(jì)劃歐盟的彩虹計(jì)劃 應(yīng)用半導(dǎo)體照明實(shí)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(guó)韓國(guó)“固態(tài)照明計(jì)劃固態(tài)照明計(jì)劃”2004年-2008年韓國(guó)政府計(jì)劃投入1億美元，企業(yè)提供30%的配套資金，近期開(kāi)始實(shí)施，預(yù)計(jì)2008年LED的發(fā)光效率達(dá)到80lm/W中國(guó)專(zhuān)家的呼吁 我國(guó)有近百名專(zhuān)家（兩院院士）聯(lián)名向國(guó)務(wù)院呼吁，以三峽工程的5%費(fèi)用，支持我國(guó)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，用5-10年的時(shí)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(gè)三峽水電站的發(fā)電量（800億度） 國(guó)家