半導體發(fā)光和顯示

半導體發(fā)光和顯示第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容綱要一、半導體LED發(fā)光的基本特性二、半導體顯示技術三、白光照明工程第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四一、半導體發(fā)光二極管的基本特性1、什么是半導體發(fā)光二極管2、各種半導體對應的發(fā)光波長3、白光LED與普通白熾燈的發(fā)光光譜4、有機半導體發(fā)光二極管（OLED）5、LED的發(fā)展歷史6、LED的分類第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四什么是發(fā)光二極管？半導體發(fā)光器件主要包括半導體發(fā)光二極管（簡稱LED）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏，事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。LED具有高亮度、視覺遠大、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。第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四半導體發(fā)光機理1、發(fā)光中心的復合發(fā)光2、直接帶隙帶間復合發(fā)光第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四各種半導體對應的發(fā)光波長第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED是由數(shù)層很薄的攙雜半導體材料制成，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。第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED的構(gòu)造圖第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四基本物理量光通量：符號Φ，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)。單位為流明（符號為Lm）光強：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度為1/681（W/sr)，稱此單色光源在該方向上的發(fā)光強度為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)射的光通量第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四照度：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），晴朗的月夜地面照度約0.2勒（lx)。

第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四亮度：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：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：單位小時，說明指光源強度下降至50%時的小時數(shù)第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四顯色性

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計上非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響裝飾物品的效果。

第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)光光譜特性：帶間復合，峰值波長與禁帶寬度Eg相對應，發(fā)光中心的復合發(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，載流子復合速率減小，發(fā)光強度下降，譜線紅移發(fā)光效率和出光效率o：發(fā)光效率指半導體體內(nèi)復合產(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)之比第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四有機半導體發(fā)光二極管OLEDOLED的結(jié)構(gòu)第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四OLED的優(yōu)點1.柔軟，可以是任意形狀，所以OLED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。

第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四可以放在衣服上的顯示屏可以卷起來的顯示屏第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四2.可視角度大第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四3.與無機晶體半導體發(fā)光二極管相比，成本低4.制備技術簡單缺點：1.亮度低2.穩(wěn)定性相對差3.工藝重復性有待提高第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED的發(fā)展歷史羅塞夫lossew.o.w在1923年就發(fā)現(xiàn)了半導體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0.1lm/w1968年利用半導體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達到1lm/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)光效率也達到1lm/w第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED的發(fā)展歷史80年代，重大技術突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達到40—50lm/w1990年基于SiC材料的藍光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04lm/w90年代中期出現(xiàn)以藍寶石為襯底的GaN藍光LED，到目前仍然采用該技術第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四色彩絢麗的單色LED第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED的分類按發(fā)光顏色：分為紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。按LED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：分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED的分類按LED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)光強度和工作電流：分有普通亮度的LED（發(fā)光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度>100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度LED。超輻射發(fā)光二極管（SLD)第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED、SLD、LD的區(qū)別器件LEDSLDLD器件結(jié)構(gòu)Pn結(jié)復合區(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<0.5相干長度不相干短，微米長，毫米光束分散角12030-4015-45工作原理自發(fā)輻射自發(fā)輻射＋光放大受激輻射＋光放大應用領域顯示、照明，短距離光通信光纖陀螺、光纖傳感光纖通信、光盤存儲，激光測距，光纖傳感，光學儀器第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四1、顯示方法的演變歷史2、LED顯示屏3、LED顯示器結(jié)構(gòu)4、LED顯示屏的分類5、LED顯示屏的廣泛應用6、LED顯示屏發(fā)展趨勢第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四顯示方法的演變歷史傳統(tǒng)的白積燈>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>映像投影設備>電視墻（tv-wall）>LED顯示屏

第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四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、光電子技術、計算機技術、信息處理技術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。第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED顯示屏的分類按基色劃分單色--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--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?？梢燥@示文字、圖片、動畫以及視頻圖像。室內(nèi)雙基色手機背光源第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED顯示屏的分類全彩色--構(gòu)成LED顯示屏的發(fā)光像元有紅綠藍三種顏色，依靠紅綠藍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，第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四按控制方式劃分條屏—條屏由單片機控制，主要用于文字顯示，本身可獨立工作，可用遙控器輸入信息，也可與計算機通訊，接收計算機發(fā)來的信息。圖文屏—圖文屏由單片機控制，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—視屏是指LED屏幕與其控制計算機的顯示器具有點-點對應的映射關系，條屏第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四按使用環(huán)境劃分

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，因此像素點也較小，室內(nèi)屏的像素規(guī)格主要有Ф3、Ф3.75、Ф4.8、Ф5以及Ф8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，因此像素點也較大，室外屏的像素規(guī)格主要有Ф11、方12，方15，

Ф19、Ф26、Ф32等第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED顯示屏的廣泛應用證券交易、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

information

Display

system）.港口、車站旅客引導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領域的業(yè)務宣傳及信息顯示廣告媒體新產(chǎn)品演出和集會展覽會第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四室內(nèi)全彩戶外雙基色室內(nèi)雙基色顯示系統(tǒng)室內(nèi)點陣式全彩第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四

第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四芝加哥千禧公園的中心裝飾，皇冠噴泉第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四室外大LED全彩色屏幕第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四城市建筑裝飾燈光工程第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四LED顯示屏發(fā)展趨勢高亮度、全彩化

藍色及純綠色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)化條件標準化、規(guī)范化材料、技術的成熟及市場價格的基本均衡之后，LED顯示屏的標準化和規(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)多樣化信息化社會的形成，LED顯示民間的應用前景更為廣闊第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四科學家開發(fā)出新穎的多色LED加利福尼亞大學的科學家們在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經(jīng)開發(fā)出第一個基于半導體氮化鎵封裝膠狀量子點的完全無機多色LED。第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四1、人類照明的歷史2、半導體照明的來臨3、半導體照明發(fā)展現(xiàn)狀4、未來的前景第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四火

—人類的文明

人類照明的歷史第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四燈—延續(xù)歷史幾千年第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四1879年愛迪生發(fā)明白熾燈第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四熒光燈將電光源帶入新天地

第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四但是，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、節(jié)能等方面產(chǎn)生巨大的效益。

第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四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)電量第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四照明的要求白光（顯色指數(shù)接近陽光）高亮度長壽命低成本半導體照明的來臨第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四一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3×10-4lm/m2接近天頂?shù)臐M月在地面所生的照度0.2lm/m2

辦公室工作時所必須的照度20～100lm/m2

第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四晴朗的夏日在采光良好的室內(nèi)的照度100～500lm/m2夏日太陽不直接射到的露天地面的照度1000～10000lm/m2第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四如何使單色的LED發(fā)出白光？1.基于藍光LED，通過熒光粉激發(fā)出黃光，與藍光組合成為白光第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四Ａ.單芯片：a.InGaN(藍)/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，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，Φ5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最高效率達到44.3lm/w，最高光通量為187lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品可達120lm，Ra為75-80。

第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四GaN基藍色LED芯片第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四b.InGaN(藍)/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，色溫可達到3000K-6000K的較好結(jié)果，Ra達到82-87，較前述產(chǎn)品有所提高。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)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、385nm—405nm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、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白光器件也有進展，但離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)尚遠。

第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四Ｂ.雙芯片：

可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠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。

第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四Ｃ.三芯片(藍色+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3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，則缺少黃色調(diào)，Ra只能達到20或30。采用波長補償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程度。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。Ｄ.四芯片(藍色+綠色+紅色+黃色)LED：采用465nm、535nm、590nm和625nmLED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130lm，色溫為5500K。

第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四白光LED的構(gòu)成方式2.通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光3.基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四藍、綠、白光LED第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四白光LED優(yōu)異的性能固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保壽命長，可以達到10萬小時（連續(xù)10年）低電壓工作是照明領域的又一次革命半導體照明的來臨第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四美國國家半導體照明計劃從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體燈取代每年節(jié)電達350億美元2015年形成每年500億美元的半導體照明產(chǎn)業(yè)市場第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四日本21世紀照明計劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導體照明燈歐盟的彩虹計劃應用半導體照明實現(xiàn)：高效節(jié)能不使用有害環(huán)境的材料模擬自然光第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期四韓國“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