《发光材料与LED教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发光材料与LED教材（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、发光材料与LED目 录摘 要：10 引言11概述12发光原理22.1基本原理22.2半导体材料的条件32.3半导体材料的选择42.4白光LED用荧光粉53 LED的优点54 LED的发展现状75 LED的应用95.1显示屏、交通信号显示光源95.2汽车工业95.3液晶屏LED背光源95.4照明光源106 LED发光材料的前景117 结论11参考文献1111发光材料与LED张*(材料物理专业2014级 学号211*)摘 要：LED因其能耗低、色彩还原性好、绿色环保以及寿命长等众多优势，已经在照明与显示领域得到了广泛应用。本文系统阐述了LED的发光原理、优点、发展现状、应用、发展前景。关键词：LE
2、D，发光原理，发展现状，发展前景Abstract: LED has many advantages，such as low energy consumption，good color reduction，green environmental protection and long life，making it has been widely used in the field of lighting and display. In this paper，the luminescence principle， advantages，present situation of developmen
3、t，application and future development prospect LED are systematically described.Keyword：LED；luminescence principle；present situation of development；future development prospect. 0 引言发光二极管简称为LED，是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。它们所用的材料基本由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等-族化合物制成1。半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命照明革命，其标志就是用半导体光源逐
4、步替代白炽灯和荧光灯。近年来，由于LED的光效大大提高，价格又在大大降低，使这种新颖的固体光源能显现其在照明方面的魅力2。1 概述物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光；另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态，在返回到基态的过程中以光的形式放出能量。热辐射发光最常见的例子是太阳和白炽灯，而后一种发光方式应用也很广泛，比如阴极射线管、日光灯、发光二极管等。按照激发能量方式的不同，发光材料的分类如下：(1) 紫外光、可见光以及红外光激发而发光的为光致发光材料；(2) 电子束流激发而发光的为阴极射线发光材料；(3) 电场激发而发光的为电致发光材料；(4) X射线辐射而发光的为X
5、射线发光材料；(5) 用天然或人造放射性物质辐射而发光的为放射性发光材料。2 发光原理2.1 基本原理2.1.1 光致发光材料以应用最多的稀土发光材料为例，其发光过程为：稀土离子吸收能量，从基态或下能级跃迁至上能级，称为激发态，然后从激发态上能级跃迁至下能级或基态，同时发生光的发射3。稀土的发光和激光性能都是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁而产生的。在f组态内不同能级之间的跃迁称为f-f跃迁；在f-d组态之间的跃迁称为f-d跃迁。当稀土离子吸收光子或X射线等能量以后，4f电子可以从能量低的能级跃迁至能量高的能级；当4f电子从高的能级以辐射弛豫的方式跃迁至低能级时发出不同波长的光，两个能级
6、之间的能量差越大，发射的波长越短4。由于很多稀土离子具有丰富的能级和它们的4f电子的跃迁特性，使稀土成为一个巨大的发光宝库5，为高新技术提供了很多性能优越的发光材料和激光材料。2.1.2 半导体单晶发光材料发光二极管（LED）是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。根据半导体的原理可知，当PN结不加电压时，P型中的空穴会向N型层扩散，而N型中的电子向P型层扩散，直至结的两侧由于空间电荷层产生的反向电场形成的势垒VD足以阻止这两种载流子的继续扩散6。当给发光二极管加上正向电压（P型为正）后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P
7、区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：R=（EUF）/IF式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的P
8、N结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能7。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。单个发光二极管结构见图1，图中LED芯片即为pn结，两引线架输入直流电，其中阳极杆与p型半导体相接，阴极杆与n型半导体相接，电子在p区半导体上与空穴复合，发射光子，释放多余能量，从而发光。图1 LED结构示意图在半导体发光器件中，由于要利用半导体
9、达到所需的电气性能，所以，-族化合物就得到了广泛的应用，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等。2.2 半导体材料的条件(1) 带隙宽度合适pn结注入的少数载流子与多数载流子复合发光时，释放的光子能量小于带隙宽度。因此，晶体的带隙宽度必须大于所需发光波长的光子能量。(2) 可获得电导率高的p型和n型晶体为制备优良的pn结，要有p型和n型两种晶体，而且这两种晶体的电导率应该较高。(3) 可获得完整性好的优质晶体晶体的不完整性对发光现象有很大影响。这里所说的不完整性是指能缩短少数载流子寿命并降低发光效率的杂质和晶格缺陷。因此获得完整性好的优质晶体是制作高效率发光二极管的必
10、要条件。(4) 直接带隙发光领域多用直接带隙材料，且有较高的发光效率，电子 ( 空穴 ) 的迁移率比间接带隙材料要高8。2.3 半导体材料的选择目前，一般采用宽禁带半导体材料-族化合物及其多元混晶制备发光二极管，包括：二元系化合物GaAs、GaP、GaN、InP、SiC，三元系化合物GaAsP、AlGaAs、InGaN、A1GaN、InG aP、AIGaP，还有四元化合物InGaAIP、InGaAsP 等7,9。目前研究的三种二元化合物发光材料有ZnSe、GaN、ZnO，分别代表了半导体发光材料的三个主要研究历程。2.3.1 硒化锌（ZnSe）从材料的能带特性上看，ZnSe被最早认为是一种较好
11、的制备蓝绿激光器的材料，但在过去的40年间，由于传统的“热平衡生长”技术难以有效克服控制晶体材料的缺陷、杂质等问题，严重阻碍了ZnSe材料的发展。尽管ZnSe基蓝绿色半导体激光器在最近45年内，连续工作时间由秒级提高到现在的400小时，工作电压也由最初的20V左右降低到目前的3.7V，取得了长足的进步与发展， 但如何获得高净空浓度的p型掺杂，实现良好的低阻欧姆接触，延长器件使用寿命，使之达到实用化，仍然有大量的课题需要研究。2.3.2 氮化镓（GaN）与第一代、第二代电子材料相比，第三代宽禁带半导体材料具有能隙更宽、饱和电子速率更高、击穿电压更大、介电常数更小、导热性能更好等特点。对GaN而言
12、，其化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，以及蓝、绿光和紫外光电子器件。所有这些优良的性质，很好地弥补了前两代半导体材料本身固有的缺点，所以近10年来，GaN材料一直是人们关注的热点。氮化镓材料作为第三代半导体材料的崛起是以高亮度蓝光发光二极管和蓝光激光器的研制成功为标志的。GaN的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质性进步和突破，目前GaN占据了LED市场的绝大多数份额。GaN材料有很多种生长方法，由于尚未解决单晶生产工艺，目前盛行在衬底上进行异质外延生长。目前一般采用诸如在Si、GaAs、蓝宝石、SiC或其它衬底材料上生长
13、GaN。2.3.3 氧化锌（ZnO）氧化锌（ZnO）是一种近年来被人们认为能取代GaN的替代材料。它是一种直接带隙半导体材料，具有很大的激子束缚能 (60meV)，远大于GaN的激子束缚能(26meV)，其带宽为3.37eV，具有六方纤锌矿结构。这些优点使ZnO成为短波长光电子器件的优良材料。ZnO无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，因而易于在室温或更高温度下实现高效率的激光发射。ZnO被人们认为是一种新一代的半导体光电材料，它不仅仅可以作为GaN的替代材料，更可以开创许多新的应用领域，具有十分广阔的应用前景。2.4 白光LED用
14、荧光粉白光LED作为一种新型固态照明光源，深受人们重视。由于拥有寿命长、效率高、抗恶劣环境、光谱范围宽、可视距离远、环保无污染等众多优势，它被视为21世纪的绿色照明光源而被给予厚望。目前实现照明用白光LED主要有如下三种方案10：(1) 蓝光LED和YAG荧光粉合成白光；(2) 紫外LED激发红、绿、蓝荧光粉合成白光；(3) 红、绿、蓝三色LED合成白光。三种方案都存在一定的不足，目前白光LED以蓝光LED和YAG：Ce组合为主。在寻找新型荧光粉过程中，由于硅酸盐具有种类多、良好的化学稳定性和热稳定性以及光谱覆盖范围广等优点，已被广泛地研究；氮化物在近紫外和可见光区域有很好的吸收，且发射光谱通
15、常都在红光区或黄光区，可取代蓝光LED用YAG：Ce，同时也能解决红色荧光粉缺乏的问题；硫化物由于其大的晶体场能，是掺杂稀土离子的发射光谱在红光区，已成为白光LED的红色荧光粉11。因此近几年研究的主要荧光粉主要有白光LED用硅酸盐荧光粉12-13、白光LED用氮化物荧光粉、白光LED用硫化物荧光粉、紫外-近紫外LED用荧光粉14-16。3 LED的优点随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。LED被称为第四代光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域11。LED之所以得到人们的重视是因为它具有许多优点：(1) 发光效率高消耗能量较同光效的白炽灯减少80%左右，较节能灯减少40%左右。一般白炽灯的发光效率只能达到15lm/W，而LED电光转化效率高，发光效率高达
