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1、半导体照明技术,参考书目： 1、谢秀颖.郭宏祥，电气照明技术第二版， 中国电力出版社，2007年11月 2、王晓东，电气照明技术，机械工业出版社，2004年1月 3、陈元灯.李元密，LED制造技术与应用，电子工业出版社，2007年7月 4、刘木清.周小丽，照明自动控制技术，机械工业出版社，2007年8月,半导体照明概述,一、半导体照明半导体照明是指用全固态发光器件（发光二极管，即LED，是由半导体材料制成的光电器件，可将电能直接转换为光能）作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高新技术领域之一，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光
2、源的革命。,半导体照明 (LED),二、LED（Light Emitting Diode ）,LED，是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，空穴占主导地位，另一端是N型半导体，主要是电子。这两种半导体相连就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。,LED构造图,三、LED产业链LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED中游产
3、业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。,1、原材料LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是IIIV族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。（6N就是6个NICE，99%9999）,2、LED上游产业主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。,3、LED中游产业,4、LED下游产业,水立方景观照明,是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形
4、状的品种繁多的LED发光器件。,是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、 LED景观灯饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。,鸟巢景观照明,篔筜湖畔的LED照明,中山路商业街的LED照明,位于湖滨北路的中闽大厦,5、测试仪器和生产设备测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metal-organic Chemical Vapor DePosition ，缩写MOCVD) 、液
5、相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。,MOCVD系统,目前国际上MOCVD的价格在每台440万美元左右，按人民币计算接近3000万元 。生产企业主要有：德国的Aixtron公司、美国的Emcore公司、英国的Thomas Swan公司等。,厦门为中国七大LED产业基地之一，首批4个半导体照明工程产业化基地之一（大连、上海、南昌和厦门 ），已经成为中国大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国
6、大陆自产芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。2014年厦门光电产业实现总产值1218亿元，占厦门工业总产值20%左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数量300多家。其中光电高新技术企业120家，实现产值657.6亿元，占光电产业总产值的54%，成为推动我市光电产业转型升级的中坚力量。,四、厦门市LED产业简介,第一章 光 视觉 颜色,本章主要介绍光、视觉、颜色等与照明技术有关的基础知识。,第一节 光,
7、照明技术的实质主要是光的控制与分配技术。,一、光的本质,1、 “什么是光，光的本质是什么？”这个问题很早就引起了许多学者的关注，直到17世纪，基本上形成了两种学说：一种是荷兰物理学家惠更斯提出的波动说，认为光是某种振动，在弹性介质中以波的形式向周围传播。另一种牛顿支持的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。,光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。,历史上许多著名科学家都加入这一论战，包括牛顿、胡克、惠更斯、托马斯杨、菲涅耳等。直到1905年3月，爱因斯坦在德国物理年报上发表了题为关于光的产生和转化
8、的一个推测性观点的论文：他认为对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示光的波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。,1921年，爱因斯坦因光电效应研究而获得奖诺贝尔物理学奖。,2、光的波动性，是指光是一种电磁波。电磁波包括微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线、宇宙射线等，如图1-1所示。电磁波能量的传播称为辐射，辐射在通过物质时一般不改变频率，速度则随物质而改变。在真空中，光速是一常数c=2.9979108m/s，光的速度、频率与波长之间的关系为：c=,图1-1 电磁波谱和可见光谱,在电磁波谱中，波长为
9、380780nm(1nm10-9m)的电磁波，作用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。可见光只占电磁波谱极小的一部分。 单色光:由单一波长组成的光。可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波长的可见光，在视觉上会形成不同的颜色。通常将可见光分为：红(780630nm)、橙(630600nm)、黄(600570nm)、绿(570490nm)、青(490450nm)、蓝(450430nm)和紫(430380nm)等七种单色光。将可见光按波长从380780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色。,3、光的微粒性是指光束是微粒流。微粒的运动速度就是光速,这些粒子就是光子。不同波长
10、的光,具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量E正比于光的频率：E=h h=6.6210-34J.S，为普朗克常数。,光子所具有的能量h是频率为的光所具有的能量的最小单位，不能再分割了，故光子又称光量子。在光和其他物质相互作用是，能量的交换是以h的形式一份一份地进行的，即能量是不连续的。,二、光的产生和传播,（1）热辐射热辐射是指物质在高温下辐射出热能。当物体被加热到高温时，组成它的原子或分子将产生热运动，并互相碰撞使电子获得能量而被激发，从而产生辐射。黑体辐射是热辐射的一种。黑体又称为完全辐射体其特点是入射到黑体上的光辐射将完全被吸收，而没有反射和透射，即它的反射比和透射比为0
11、，吸收比为1。,著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射功率与波长的函数关系，普朗克的黑体辐射公式是：,其中为辐射波长；T为黑体的绝对温度，h为普朗克常量， c为真空中的光速，k=1.381023为玻尔兹曼常量。,（W/m3）,图1-2 不同温度黑体辐射的能量分布,（2）发光,发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程，通常通过激发过程来完成。激发是一个能量转移过程。一个系统得到激发，得到到能量由低能态E1跃迁到高能态E2，当它由高能态回到低能态时，根据能量守恒定律，多余的能量就可能以光的形式释放出来，这就是激发发光。发光波长的长短取决于能量差E=E2-E1, E正是发射的光子所具
12、有的能量。,按激发的方式不同，可把发光分为以下几种：1）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。2）化学反应：由化学反应直接引起的发光。物质的燃烧属于化学反应。,3）光致发光：由光、紫外线、X射线等激发而引起的发光。 如荧光灯是由汞蒸气产生的紫外线激发荧光粉而发光的。4）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光：如电视机的显像管。5）电致发光：直接由电能转变为光能。a、气体或伴随气体放电而发光：如霓虹灯和各种放电灯。b、加交流或直流电场于硫化锌等粉末材料而发光： 如场致发光板。c、在磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等一类半导体PN结处注入载流子时的发光：如通常的发光二极管。,2、光的传播,（1
13、）光的反射光从一种介质传播到另一种介质时，有一部分或全部从分界面射回原来的介质，这种现象叫做光的反射。在光的反射中，光的传播方向和能量可能发生变化，但光的频率是不会改变的。,（2）光的折射。光从一种介质射入另一种介质时，若光的入射方向不是垂直于上述两种介质分界面，则在分界面将有一部分光被反射回原来的介质，另一部分将射人另一种介质中，但传播方向改变了，这种现象称为光的折射。,图1-3 光的发射和折射,光在其介质中传播速度较高(折射率小)的媒质被称为光疏媒质，而传播速度较低(折射率大)的称为光密媒质。,当光从光疏媒质射入光密媒质时(n1n2)，折射角2将小于入射角1,反之，则折射角2 将大于入射角
14、1。同时，入射角发生变化时，折射角随之发生变化，但两角之间的关系符合折射定律：,折射定律也叫斯涅耳（snall）定律。,图1-4 光的折射；(a)n1n2，(b)n1n2,（3）光的全反射光由光密媒质（折射率大）入射到光疏媒质（折射率小）的界面时，全部被反射回原媒质内的现象称为全反射。全反射的临界角为：,应用：光纤通信等。高锟， “光纤之父”，2009年获诺贝尔物理学奖,图1-5 光的全反射,（4）光的透射。光从一种介质射入另一种介质，并从这种介质穿透出来的现象叫光的透射。,图1-6 光的透射,（5）光的吸收和散射光在介质中传播时其强度将越来越弱，在这个过程中有一部分光的能量转变为其它形式的能
15、量(例如热能)。这就是介质对光的吸收。光在不均匀媒质中传播会产生散射，这是由于无数杂乱无章的界面对光进行多次的反射和折射引起的。,（6）光的漫反射和漫透射当光线遇到某种表面，该表面的不平整度与光的波长差不多或大于光的波长时，就不再存在单一的反射或折射光线，而向光的散射一样，光线在入射点上向四面八方散开。这种光回到入射光所在媒质的现象称为漫反射，而透射入第二种媒质的现象称为漫透射。,（7）光的偏振振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。,（8）光的干涉和衍射1）光的干涉：满足一定条件的
16、两列相干光相遇叠加，在叠加区域内光强按空间周期性变化的现象称为干涉。,等厚干涉,等倾干涉,牛顿环,图1-9 各种干涉条纹,杨氏干涉,2)光的衍射 光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 只有当小孔、单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到明显的衍射现象,图1-10 光的衍射条纹,作业： 1、光的本质是什么？可见光的波长范围是多少？ 2 、光的产生有哪几种方式及其原理？ 3 、试述光的全反射的条件及原理，临界角的表达式。 光入射到折射率为n1=1.33的玻璃和折射率为n2=1的空气的界面时，产生全反射的临界角为多少度？,二、光度学及其测量 照明光源和灯具的主要性能指标是光学参数。,1、能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量的总和，波长不同，能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以PA表示。发光器件在1-2波长范围内的辐射功率可表示为：,如果是全部波长范围内的辐射功率，则为：,
