工程與生活課件

2024/4/17工程與生活郭艷光–藍(lán)光雷射實驗室1997年12月底向彰化師大校長提出「藍(lán)光雷射計畫」，提議研發(fā)半導(dǎo)體雷射，獲得800萬元經(jīng)費補助，成立「藍(lán)光雷射實驗室」。除了半導(dǎo)體雷射之外，還帶領(lǐng)學(xué)生從事發(fā)光二極體(LED)、有機發(fā)光二極體(OLED)、太陽能電池(SolarCell)的研究工作。2010/04/092工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師課程大綱半導(dǎo)體雷射(LD)發(fā)光二極體(LED)有機發(fā)光二極體(OLED)太陽能電池(SolarCell)2010/04/093工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師AlbertEinstein(1879–1955)愛因斯坦相對論

E=mc2受激放射2010/04/094工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師光子與電子之間的交互作用ProcessBeforeAfterExampleEVEClEVECPhotodetectorSolarCellAbsorptionEVEClEVECSpontaneousEmissionLight-EmittingDiodeOLEDEVECEVECStimulatedEmissionLaserDiodeSemiconductorLaserl1l1l2(inphase)2010/04/095工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師雷射原理與雷射系統(tǒng)的發(fā)明1958年，A.L.

Schawlow與C.H.

Townes第一次詳細(xì)描述在光學(xué)頻段的雷射效應(yīng)(Phys.Rev.112,1940,1958)。1960年，Maiman發(fā)明人類第一具雷射：紅寶石(Cr3+:Al2O3)雷射(Nature187,493,1960)。2010/04/096工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LASER

的原文LASER

istheabbreviationof

『LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation』

Taiwan

雷射(取其音)

China

激光(取其意)

2010/04/097工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師雷射光直行且不易發(fā)散2010/04/098工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師雷射的應(yīng)用日常生活中，我們常常接觸到雷射雷射指示器在電腦或音響組合中用來讀取光碟資料的光碟機在工業(yè)上，雷射常用於切割或微細(xì)加工在軍事上，雷射被用來攔截導(dǎo)彈科學(xué)家利用雷射非常準(zhǔn)確地測量地球和月球的距離，誤差只有幾厘米。2010/04/099工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師雷射系統(tǒng)的基本元素激發(fā)系統(tǒng)鏡片(全反射)鏡片(部分穿透)活性介質(zhì)雷射光2010/04/0910工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師雷射的種類與典型範(fàn)例GasLasers(氣態(tài)雷射)

He-NeLaser,Ar+Laser,CO2Laser,N2Laser,…LiquidLasers(液態(tài)雷射)

OrganicDyeLasers,…Solid-StateLasers(固態(tài)雷射)

RubyLaser,Nd:YAGLaser,Nd:GlassLaser,…SemiconductorLasers

(半導(dǎo)體雷射)

AlGaAs,InGaAsP,AlGaInP,InGaN,InGaAsN,…OtherLasers(其他雷射)

ChemicalLaser,Free-ElectronLaser,…

2010/04/0911工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師側(cè)射型雷射(Edge-EmittingLaser,EEL)基板np活性區(qū)自然斷裂面2010/04/0912工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師發(fā)光二極體(LED)的應(yīng)用TFTLCD背光光源單色/彩色顯示器白光與各色燈泡汽機車照明與指示燈驗鈔筆/驗鈔機2010/04/0913工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED基本結(jié)構(gòu)與發(fā)光機制電子與電洞經(jīng)由n態(tài)與p態(tài)電極注入LED元件。

電子與電洞在活性層結(jié)合，多餘的能量以光的型態(tài)釋出。2010/04/0914工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED發(fā)光效率的演進(jìn)過程2010/04/0915工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師明日之星

白光LED日本通產(chǎn)省(MITI)於1998年4月開始執(zhí)行「21世紀(jì)照明計劃」，預(yù)計5年內(nèi)投資50億日圓(約為美金4仟萬元)，結(jié)合日本30多家廠商，發(fā)展GaN為主之白光源，預(yù)定2010年達(dá)成120流明/瓦為長程目標(biāo)。美國1999年10月提出「發(fā)展半導(dǎo)體照明光源白皮書」，規(guī)劃10年內(nèi)投入5億美金發(fā)展白光LED。2010/04/0916工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師照明設(shè)備的演化過程LED即將扮演重要的角色!!2010/04/0917工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED於車用產(chǎn)品之應(yīng)用2010/04/0918工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師白光LED的應(yīng)用(頭燈與相機照明)2010/04/0919工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師白光LED的應(yīng)用2010/04/0920工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師光電半導(dǎo)體材料

IV:Photo-detectorIII-V&II-VI:LED/LD&Photo-detectorI II IIb III IV V VI

3Li4Be

5B6C7N8O11Na12Mg

13Al14Si15P16S19K20Ca30Zn31Ga32Ge33As34Se37Rb38Sr48Cd49In50Sn51Sb52Te55Cs56Ba80Hg81Tl82Pb83Bi84Po2010/04/0921工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師可見光區(qū)的光電半導(dǎo)體材料波長(奈米)300400500600700AlGaAs砷化銦鎵AlGaInP磷化鋁鎵銦InGaN氮化銦鎵2010/04/0922工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師紅光至黃綠光用AlGaInPLED為了讓AlGaInPLED薄膜長在GaAs基板上晶格可以匹配，In的含量必須佔第III族原子的50%。

化學(xué)式為(AlxGa1-x)0.5In0.5PAlGaInPLED直接能隙與間接能隙曲線在555nm交叉，發(fā)光波長在570nm(黃綠光)與650nm(紅光)之間時，發(fā)光效率相當(dāng)好。交通號誌燈所使用的紅光及黃光LED均為AlGaInPLED。2010/04/0923工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師人眼對光之敏感度頻譜Humaneyesaresensitivetogreenlight(~555nm),andhencethedevelopmentofgreen(oryellowishgreen)AlGaInPLEDisdesirable.2010/04/0924工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師黃綠光至紫外線用InGaNLEDInGaNLED沒有晶格匹配的基板，大部分長在不導(dǎo)電的藍(lán)寶石(Al2O3)基板上?？梢詫?dǎo)電的碳化矽(SiC)也是不錯的InGaNLED基板，不過因為價格昂貴，較少被業(yè)界採用。InGaNLED發(fā)光範(fàn)圍橫跨整個可見光區(qū)與紫外線，但是黃綠光到紅光(570nm~650nm)這一個波段，目前還無法和AlGaInPLED做商業(yè)性的競爭。2010/04/0925工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師InGaNLED的元件結(jié)構(gòu)p-Electroden-Electrodep-GaNp-AlxGa1-xNInyGa1-yNn-AlzGa1-zNn-GaNGaNBufferLayerSapphireSubstrate正負(fù)電極都在基板的上方!!2010/04/0926工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師AlGaInP與InGaNLED的磊晶方法目前商業(yè)生產(chǎn)大多使用MOCVD(化學(xué)氣相沉積法)成長LED與半導(dǎo)體雷射，因為長晶速度快。MBE(分子束磊晶法)長晶品質(zhì)佳，但長晶速度較慢。在學(xué)術(shù)界MOCVD與MBE都有不少人在使用。2010/04/0927工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師TheClusterlab600ResearchMBESystem國立彰化師範(fàn)大學(xué)奈米科技中心已於2005年6月購入乙臺MBE!2010/04/0928工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED應(yīng)用範(fàn)圖與發(fā)展趨勢

資料來源：DigiTimesResearch，2006/62010/04/0929工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師2006~2008年全球LED應(yīng)用市場分佈就應(yīng)用領(lǐng)域分析，手機為LED最主要應(yīng)用市場，但市場佔有率呈現(xiàn)下滑趨勢，反倒是在照明及汽車領(lǐng)域有明顯成長。資料來源：工研院IEK，2009/22010/04/0930工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師2002~2008年全球LED市場規(guī)模2005年高亮度LED市場受到產(chǎn)品單價持續(xù)下滑，及大尺寸背光模組等新興市場成長不如預(yù)期影響，市場僅呈現(xiàn)微幅成長，較2004年微幅成長約7%。2008年初全球能源價格高漲，具有節(jié)能優(yōu)勢的LED成為大眾所看好的明星產(chǎn)業(yè)，然而受到全球金融海嘯影響，市場需求瞬間冷凍，導(dǎo)致產(chǎn)品單價巨幅下滑，2008年全球LED市場只微幅成長3%。資料來源：工研院IEK，2009/22010/04/0931工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師全球LED市場值預(yù)估一方面LED照明開始進(jìn)入街燈市場，此外，在筆記型電腦、甚至液晶電視市場，LED背光模組採用的比例將不斷提高。因此，根據(jù)KoreaPhotonicsTechnologyInstitute預(yù)測，2010年全球LED市場值將可達(dá)324億美元。資料來源：KoreaPhotonicsTechnologyInstitute，科技政策研究與資訊中心—科技產(chǎn)業(yè)資訊室整理，2009年03月2010/04/0932工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED螢?zāi)?北京奧運資料來源：/mag/beijing2008/storypage.jsp?f_ART_ID=141367北京奧運開幕現(xiàn)場最令人吃驚之處，在地上那幅卷軸不斷轉(zhuǎn)動，這就是LED螢?zāi)凰龀龅男Ч@個螢?zāi)婚L147公尺、寬36公尺，上面有4萬4千顆LED燈，藉由電腦動畫，幻化出各種不斷流動圖案，這個螢?zāi)唤?jīng)過測試，完全經(jīng)得起表演人員踩踏及水淹考驗。2010/04/0933工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師LED應(yīng)用於可彎曲螢?zāi)毁Y料來源：D.StevensonandC.Conway,BeckmanInstitute,UniversityofIllinois，2009年08月左圖：科學(xué)雜誌（Science）發(fā)表了一篇關(guān)於LED的突破性研究，不僅達(dá)到超薄、超小且具易曲性，並且可以應(yīng)用在筆記型電腦螢?zāi)?、甚至醫(yī)學(xué)影像裝置。右圖：將晶圓上的LED直接列印在基板上，這些LED之間能夠互連。2010/04/0934工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師液晶顯示器(LCD)的種類與原理依驅(qū)動方式分類：可分為單純矩陣驅(qū)動、主動矩陣驅(qū)動。依照明光的來源：可分為穿透式、反射式。薄膜電晶體液晶顯示器(ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay；TFTLCD)：其基本結(jié)構(gòu)為兩片玻璃基板中間夾住一層液晶。前端LCD面板貼上彩色濾光片，後端TFT面板上製作薄膜電晶體(TFT)，當(dāng)施電壓予電晶體時，液晶轉(zhuǎn)向，光線穿過液晶後在前端面板上產(chǎn)生一個畫素。2010/04/0935工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師液晶顯示器材料成本分析2010/04/0936工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師100吋液晶顯示器2010/04/0937工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師40吋以上電視的發(fā)展趨勢2010/04/0938工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師我國平面顯示器產(chǎn)業(yè)2009年產(chǎn)值單位：億元新臺幣類別Q1'09Q2'092009（e）大型TFTLCD(>10")1,121.21,771.37,628.5中小型FPD(<10")320.0401.81,807.0背光模組413.2444.21,853.8彩色濾光片283.9323.01,248.4玻璃基板197.6208.3869.5偏光板84.999.6434.4合計2,420.93,248.213,841.6資料來源：DisplaySearch(2009/06)備註：美金兌臺幣參考匯率33.65：12009年上半年我國平面顯示器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模約達(dá)新臺幣5,669億元，2009年產(chǎn)值仍有超過兆元的佳績。因受2008年全球金融風(fēng)暴影響，2009年臺灣大尺寸TFT面板之全球市佔率在上半年第一季為38.3%，進(jìn)入第二季時全球市佔率提升到41.8%，顯見我國在大尺寸TFT面板之全球市佔率有逐漸上升的趨勢。2010/04/0939工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師什麼樣的顯示器是我們期待的呢?隨身穿戴的彈性用途2010/04/0940工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師有機發(fā)光二極體(OLED)顯示器傳統(tǒng)的CRT陰極射線管螢?zāi)缓裰?、佔體積，因此已逐漸被厚度較薄且大尺寸的PDP電漿顯示器及LCD液態(tài)晶體(液晶)顯示器所取代。另外一項新技術(shù)：OLED(有機發(fā)光二極體)。OLED是OrganicLight-EmittingDiode的簡稱，是一種有機電激發(fā)光元件。2010/04/0941工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師OLED顯示器發(fā)展簡史1963年，Pope發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)OLED的文獻(xiàn)，當(dāng)時使用數(shù)百伏特的電壓通過Anthracene晶體時，觀察到發(fā)光的現(xiàn)象。但由於其過高的電壓與不佳的發(fā)光效率，在當(dāng)時並未受到重視。1987年，美國柯達(dá)公司的C.W.Tang及SteveVanSlyke等人發(fā)明以真空蒸鍍法製成多層式結(jié)構(gòu)的OLED元件的小分子OLED元件後，大幅提高了元件的性能，其低操作電壓、與可使電洞電子侷限在電子傳輸層與電洞傳輸層之界面附近再結(jié)合高亮度的商業(yè)應(yīng)用潛力，吸引了全球的目光。1990年，英國劍橋大學(xué)的Friend等人成功的開發(fā)出以塗佈方式將多分子應(yīng)用在OLED上，即PolymerLED(簡稱PLED)，不但再引發(fā)第二波研究熱潮，更確立了OLED在二十一世紀(jì)產(chǎn)業(yè)中所佔有的重要地位。2010/04/0942工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師OLED顯示器的優(yōu)點自行發(fā)光、不需背光源

高亮度(>100,000cd/m2)反應(yīng)時間快(ms)、沒有殘影現(xiàn)象

製作容易、輕薄(2mm)、寬視角(>170

)

寬廣操作溫度範(fàn)圍、低驅(qū)動電壓(3-9V)色彩豐富、高對比、低價可撓曲、可做多樣化形狀及尺寸

符合環(huán)保潮流(不含Hg2006年停用)2010/04/0943工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師OLED的可能應(yīng)用領(lǐng)域TFT-LCD背光光源平面顯示(電子報紙等)平面光源照明曲面顯示器(廣告看板)可撓曲式顯示器2010/04/0944工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師OLED目前主要應(yīng)用產(chǎn)品2010/04/0945工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師可撓曲式單色OLED2010/04/0946工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師SeikoEpson40吋OLED全彩顯示器日本SeikoEpson公司於2004年5月發(fā)表了40吋OLED全彩顯示器，為當(dāng)時世界最大的OLED全彩顯示器。與以往ㄧ般小分子OLED所使用的蒸鍍製程不同的是，該項產(chǎn)品採用高分子OLED噴墨印刷技術(shù)。2010/04/0947工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師目前OLED的發(fā)展瓶頸OLED發(fā)光材料普遍呈現(xiàn)色彩純度不足的現(xiàn)象有機層材料壽命短大尺寸面板開發(fā)困難專利的問題有待克服2010/04/0948工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師太陽能電池南臺科技大學(xué)太陽能電動車2010/04/0949工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師過去三十年原油價格2010/04/0950工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師初級能源消耗量與全球人口成長2010/04/0951工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師地球表面溫度變化2010/04/0952工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師阿拉斯加冰川融化迪納利國家公園資料來源：科學(xué)人2006年10月2010/04/0953工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師排碳與溫度上升的問題溫度持續(xù)上升的問題急待克服至2050年時，全球經(jīng)濟將是目前的4倍，能源需求是1.7倍，CO2排放量是2.3倍，全球溫度將升高6℃或更高！欲改變能源結(jié)構(gòu)與排碳趨勢一般做法：提高能源效率積極做法：提供化石能源以外的新能源資料來源：能源國家型科技計畫報告說明書，20092010/04/0954工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師太陽能光電的發(fā)展?jié)摿Ρ容^上表可以發(fā)現(xiàn)，若將一年之太陽能全部收集，可讓全部人類使用8,000年。太陽能電池所產(chǎn)生電力之成本仍無法與目前的電力價格競爭，除非有其他因素（例如：個人環(huán)保意識抬頭，或是政府補助，地區(qū)偏遠(yuǎn)無電力供給），一般使用者是不會考慮使用太陽能電池之替代能源的?？衫锰柲芘c全球用電量比較再生能源數(shù)量（Z=1021）可利用太陽能3850ZJ海洋所吸收太陽能285ZJ風(fēng)力發(fā)電6ZJ生質(zhì)能（由太陽能轉(zhuǎn)換）1.8ZJ2004全球用電量0.471ZJ註：1度=3.6MJ，其中M=106Source:,2008/01.2010/04/0955工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師太陽能電池發(fā)展簡史第一個太陽能電池於1954年誕生於美國貝爾實驗室。1973年能源危機爆發(fā)後，各國政府與企業(yè)都開始投入替代性能源的研發(fā)，太陽能電池才開始蓬勃發(fā)展。ConcentratorSolarFarminNewMexico,USA2010/04/0956工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/物理系郭艷光老師歐美能源政策歐盟能源政策：「三個20%」的減碳政策，在2020年時排碳量比1990年還少20%；再生能源佔總能源用量20%；減少化石能源使用量20%。美國歐巴馬政府能源政策：未來十年內(nèi)，策略性投資1500億美金，以創(chuàng)造500萬新工作，並誘導(dǎo)民間力量投入建立潔淨(jìng)能源產(chǎn)業(yè)；未來十年內(nèi)，節(jié)省石油用量超過目前自中東與委內(nèi)瑞拉進(jìn)口總量；2012年之前，10%美國電力來自再生能源，2025年之前達(dá)25%；2015年之前，100萬輛美國製每加侖跑150英哩的油電混合車上路；2050年之前，減少溫氣排放達(dá)80%。資料來源：能源國家型科技計畫報告說明書，20092010/04/0957工程與生活--光電半導(dǎo)體元件簡介/