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1、第十一章 光电器件(1) 1。半导体光电子器件简介与发展 2。光电子器件的基本原理,两端器件（ pn、肖特基 ） 发光器件 探测器件、太阳能电池,1。半导体光电子器件简介与发展,1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。 1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。 可见光发光二极管进人商品化阶段最早要追朔到1962年，当时美国的通用电气公司Holonyak ，制成了发红光的化合物半导体合金，磷砷化镓。它们不甚么亮（0.1lm/W，大约比白炽灯效率低150
2、倍而且很贵，所以售出很少。 MonsantD和HP公司的改进LED使黄、绿加人到红色LED行列中，这都是在1970年之时。 AIGalnP LED是1991年由美国 HP公司和日本东芝公司研制成功，并于 1994年改进成功，采用 LPMOCVD技术，其后HP又开发了透明衬底技术大大提高了发光效率 LED性能改进速度大约是每十年提高十倍，导致今天某些LED比之通用光源白炽灯或卤素灯具有更高的效率。,GaAs基发光二极管,A BRIEF HISTORY OF GaN BLUE LIGHT-EMITTING DIODES Herbert Paul Maruska In May 1968, Tietj
3、en approached a young man in his group, Herbert Maruska, and challenged him to find a method for growing single crystal films of GaN, which Tietjen felt would yield blue LEDs. Maruska had been growing GaAsxP1-x red LEDs using the Halide Vapor Phase Epitaxy (HVPE) approach. In a traditional HVPE reac
4、tor, the group III element such as Ga is transported as the monochloride. For example, GaCl is generated in situ by passing HCl vapor over liquid gallium at about 850 oC. The group V element is transported as the hydride, such as arsine. The substrate is held in a tube furnace, and the two gas flows
5、 are injected and allowed to mix at the surface of the substrate.,GaN半导体材料的商业应用研究开始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是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进步和突破。 1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN发光二极管（LED）；1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN蓝光激光器，激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。 从1999年初到2001年底，GaN基半导体
6、材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面的重大技术突破有40多个。 由于GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。,GaN基发光二极管的过去与现在,最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。 那么LED发展史到低能走多远，不得而知。也许某天就能开发出能发X射线的LED。 然而，LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，像计算机一样，遵守摩尔定律的发展。每隔18个月它的亮度就会增加一倍。 早期的LED
7、只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。 高效节能的LED意味着太阳能充电电池能够通过太阳光为其冲电。从而能够把光源带到第三世界及其他没有电能的地方。,GaN基发光二极管的未来,Solid State Lighting,Solid state lighting white LED,LED白光照明的要求,Solid state lighting white LED效率、能源与成本,Estimated ownership cost of SSL-LEDs,Basic of white light (色温),Human vision
8、,High-power LED packaging,Thermal dispersion of different packagings,Heat management is crucial for high power LEDs.,Main players in LED industry,国家照明工程,深圳基地上海基地厦门基地大连基地南昌基地,半导体照明总结,美国激光世界曾撰文称：到2025年白光LED将占照明灯具市场的25%以上份额, 业内人士预计2005-2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。 国外也有报道称：5年后半导体灯替代20%的白炽灯。这个估计可能比较乐观，但揭示了半导
9、体灯未来的应用前景和增长潜力。 据统计：若台湾地区25%的白炽灯和全部日光灯被白光LED取代，每年可节省110亿度电力，相当于一座核电站的供电能力。 由于照明消耗占整个电力消耗的20%，全球每年使用这种光源所节省的电能达1000亿美元， 大力发展白光LED技术将是保护环境和节省能源的一个有效途径。在未来二十年内使用固态照明有减低全球用于照明的用电量50%，及节省全球电力总消耗量10%。,硅晶体太阳能电池是另一种半导体器件，和LED一样，它也是由PN结组成，它是一个面积比LED大几千倍甚至上万倍的PN结。,太阳能电池,到2010年，光是太阳能电池一项就有望突破110亿美元。,80%的市场被硅占据
10、 III-V族芯片制造商唯有图谋剩下的20%市场,在人造卫星电池领域已经实现了由硅向III-V半导体技术的富于戏剧性的转变，“在上个世纪九十年代中期，人造卫星有80%的供电来源于硅太阳能电池，而如今这80%的比例却来自于III-V多结电池。”,太阳能电池转换效率与发电 硅太阳能效率：1-20%（未吸收的低能部分损耗）-40%（高能部分转变为热能损耗）=40%， 实际值为该值的一半。 现在，Emcore的GaAs高频多结太阳能电池的效率约36%，Spectrolab的光电系统达到历史上最高水平，为40.7%，未来十年它将会达到45%。 作为比较，多结硅电池的转换效率纪录仅是24.7%，而国内企业
11、的记录一般是17%。 但这个产业更加关注，如何才能降低太阳能的每瓦成本？ 据Spectrolab公司的统计结果，转换效率在40-45%之间的太阳能电池，其每千瓦时的生产成本可降至10美分。 若在中国大面积使用硅太阳能装置的话，太阳能光热折合发电成本仅为每千瓦时0.15元，比常规的发电成本约低一倍。？,太阳能电池总结,太阳能作电池作为取自太阳能的绿色能源，是一种半导体器件,结构简单，可靠性高，寿命可以达到25年以上，是取之不尽，用之不竭的能源，是本世纪最有前途的能源。 1954年制造出现代硅太阳能电池，1958年应用在宇宙飞船上，60年代初空间太阳能电池的设计已经成熟。以后十多年，太阳能电池主要
12、应用在空间。 70年代太阳能电池的转换效率已经有了明显提高，到70年代末，由于制造成本下降，地面应用太阳能电池数量已经超过空间应用数量。 80年代至今，晶体硅太阳能电池的效率从18%增加到25%，这就是说，未来人类主要电力来源于太阳能电池是完全可能的。 太阳能电池价格过高，或者由于太阳能电池效率低，单位面积的功率小，没有合适的位置安放太阳能电池。和LED技术一样，太阳电池的发展目前也遇到了一些暂时的技术难题。,-半导体绿色照明,LED与太阳能电池的结合,1.半导体绿色照明的“昨天、今天”,太阳电池进入实用阶段不久，太阳电池就被应用在照明领域。在我国，早在70年代初太阳电池就被使用在航标灯上。紧
13、接着，为了解决无电源地区的照明问题，太阳能照明灯就越来越多的出现。当然，那个时代由于半导体光源LED还没有普及，太阳能照明灯的光源部分采用的是白炽灯和荧光灯，但是这个阶段为今天的半导体绿色照明做了积极的技术准备。 进入90 年代，半导体绿色照明进入了真正的快速发展时期。大量的太阳能电池和LED组合而成的交通信号灯被广泛的使用；太阳能电池和LED组合而成的各种照明灯具也出现了。这里特别要提一下的是这个领域的一个成功典型太阳能草坪灯，太阳能草坪灯是我国太阳能电池和LED应用领域的一个不可忽视的重要分支。 2004年的出口数量已经超过一亿盏，太阳能电池的消耗数量20MW左右，LED的消耗量在1-2亿
14、只，这些数量的太阳电池和LED组成的半导体照明系统无论是太阳能照明还是LED照明都是目前我国生产的数量最大的。1.2V的小型蓄电池的消耗也将超过一亿只，这绝对是一个让人心动的统计数据。它的生产主要分布在广东、福建、浙江沿海一带，它是由0.2-0.3W的太阳电池和1-2只LED组成，它们之间由一个控制和升压起来电路连接.,半导体绿色照明系统中需要研究解决的问题： 1）适合为LED 供电的高效率太阳能电池研究。 2）太阳能电池和LED半导体照明系统中微功耗控制器，高效率逆变器研究，并网发电技术研究。 3）太阳能和LED半导体照明系统中高效率，长寿命蓄电技术研究。 4）高效率LED及其照明灯具研究。
15、 5）太阳电池和LED之间的阻抗匹配研究。,2. LED与太阳能电池的相同点,半导体器件：太阳电池和LED一样，都是半导体器件，都是由PN结构成的二极管；只不过太阳电池是将光线转换为电能，LED是将电能转换为光线。 相同的温度特性：它们都有负的温度系数，温度每上升1度，单片太阳电池的电压要下降2毫伏；对于LED，温度每上升10度，其光通量下降一半，当温度达到80时，其光通量下降至0；同样，在这个温度下，太阳电池也接近于不能够工作了。 相同的长使用寿命：太阳电池组件的使用寿命为25-30年，是各种电池和发电装置使用寿命最长的，LED的使用寿命可以达到10万小时（非白色），也是各种电光源中使用寿命
16、最长的。,LED与太阳能电池的相同点(2),相似封装技术：太阳电池和LED都需要用透光性能好、抗紫外线、密封性能好的材料进行封装，封装技术决定了太阳电池和LED的使用性能和寿命。 电流、电压特性相似：由于太阳电池和LED一样，都是半导体器件，由PN结组成，所以太阳电池的输出特性曲线和LED的电流、电压特性曲线非常相似，都有一个明显的拐点。对于太阳电池，这个拐点就是太阳电池的最大输出功率点；对于LED，这个拐点就对应着它的工作电压，超过这个电压，LED就会过载而烧毁。 面临同样的应用发展瓶颈：太阳电池的普及瓶颈主要是价格比较高。LED存在的技术问题还要多一些，目前商品化的白光LED的效率在20-30Lm/W，和节能灯、钠灯比，还相差很远；另外它的显色性不好，使用寿命虽然比其他光源长，但离10万小时的寿命还相差很远。LED目前成功应用在各种信号灯、显示屏和装饰性景观照明上，对于真正意义上的照明还有一段路要走。,绿色环保产品：目前我们所能够见到的高效率的电光源中基本上都有污染环境的稀土材料、有害气体或者放射性元素，而LED就很少存在这个问题。太阳电池更是一种
