物理系物理系 吴正云吴正云内 容 纲 要•一、半导体LED发光的基本特性 • 二、半导体显示技术 • 三、白光照明工程一、半导体发光二极 管的基本特性1、什么是半导体发光二极管 2、各种半导体对应的发光波长 3、白光LED与普通白炽灯的发光光谱 4、有机半导体发光二极管（OLED） 5、LED的发展历史 6、LED的分类什么是发光二极管？• 半导体发光器件主要包括半导体发光二极管（ 简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏，事实上，数码管、符号管、米字管 及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极 管• LED具有高亮度、视觉远视觉远 大、图图像清晰、色 彩鲜艳鲜艳 、稳稳定性好、功耗低、光效高、寿命长长 等优优点半导体发光机理• 1、发光中心的复合发光 • 2、直接带隙带间复合发光各种半导体对应的发光波长• LED是由数层很薄的搀 杂半导体材料制成，一 层带过量的电子，另一 层因缺乏电子而形成带 正电的“空穴”，当有电 流通过时，电子和空穴 相互结合并释放出能量 ，从而辐射出光芒 LED的构造图基本物理量• 光通量： 符号 Φ，单位 流明 Lm， 说明 发光 体每秒种所发出的光量之总和，即光通量。
光通量是衡量光源的重要参数单位为流明 （符号为Lm） • 光强：符号 I，单位 坎德拉 cd定义为波长为550nm的单色光源发光时，如果 它在某一方向上的辐射强度为1/681（W/sr)， 称此单色光源在该方向上的发光强度为1坎德 拉(cd)说明 发光体在特定方向单位立体角 内所发射的光通量• 照度：照度是指单位面积上接收到的光通量照 度符号是E，照度单位是勒克斯（lx），计算式 为：E=F/S 式中：F—光通量，流； S—照明面积，米2； E—照度，勒克斯 Lm/m2 1勒（lx ）相当于1米2被照面上光通量为1流明 （lm）时的照度夏季阳光强烈的中午地面照度 约50000勒（lx），冬天晴天时地面照度约2000 勒（lx），晴朗的月夜地面照度约0.2勒（lx ) • 亮度：符号 L，单位 尼脱 cd/m2，说明 发 光体在特定方向单位立体角单位面积内的 光通量 • 光效：单位 每瓦流明 Lm/w，说明 电光源 将电能转化为光的能力，以发出的光通量 除以耗电量来表示 • 平均寿命：单位 小时，说明 指光源强度 下降至50%时的小时数• 显色性 显色性即光源射到物体上，呈现物体 颜色的程度。
显色性越高，则光源对颜色 的 还原越好，观察到的颜色就越接近自然 色国际照明委员会CIE把太阳的显色指 数定为Ra=100，各类光源的显色指数各不 相同显色性是照明装饰设计上非常重要 的环节，直接影响装饰物品的效果• 发光光谱特性：带间复合，峰值波长与 禁带宽度Eg相对应，发光中心的复合发 光，由发光中心位置决定，有一定的谱 宽 • 温度特性：温度T上升，禁带宽度Eg下降 ，载流子复合速率减小，发光强度下降 ，谱线红移 • 发光效率和出光效率o：发光效率指 半导体体内复合产生的光子数与注入的 电子－空穴对数之比；出光效率o指发 射出体外的光子数与注入的电子－空穴 对数之比有机半导体发光二极管OLED• OLED的结构OLED的优点• 1.柔软，可以是任意形状，所以OLED 显示屏的外形不受限制，可以是任何 形状，可以放到任意物体的表面由 于使用了新的基质材料，OLED显示 屏比目前最薄的薄膜电晶体管（TFT ）屏幕还要平整得多可以放在衣服上的显示屏可以卷起来的 显示屏2.可视角度大• 3.与无机晶体半导体发光二极管相 比，成本低 • 4.制备技术简单缺点： 1.亮度低 2.稳定性相对差 3.工艺重复性有待提高LED的发展历史• 罗塞夫lossew.o.w在1923年就发现了半导 体SiC中偶然形成的p-n结的光发射 • 1965年世界上的第一只商用化LED诞生， 用锗制成，单价45美元，为红光LED，发 光效率0.1 lm/w • 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料 的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够 发出红光、橙光和黄光 • 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率 也达到1 lm/wLED的发展历史• 80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材 料的LED，发光效率达到 10 lm/w • 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成 熟，发光效率达到 40—50 lm/w • 1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光 效率为0.04 lm/w • 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝 光LED，到目前仍然采用该技术色彩绚丽的单色LEDLED的分类• 按发光颜色：分为红色、橙色、绿色（又 细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。
• 按LED出光处掺或不掺散射剂、有色还是 无色：可分成有色透明、无色透明、有色 散射和无色散射四种类型 • 按发光管出光面特征：分为圆灯、方灯、 矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微 型管等LED的分类• 按LED的结构：分为全环氧包封、金属底 座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封 装等结构 • 按发光强度和工作电流：分有普通亮度的 LED（发光强度100mcd）；把发光强度 在10～100mcd间的叫高亮度LED • 超辐射发光二极管（SLD)LED、SLD、LD的区别器件LEDSLDLD器件结构Pn结复合区＋吸收区＋端面增 透膜异质结＋谐振腔光输出功率 霓虹灯 > 广告灯箱 > 平 面招牌广告 > 磁翻版 > 阴极管（crt）或 石英管（dv）大型电视 (成本非常昂贵) > 彩色液晶显示 >映像投影设备 >电视墙 （tv-wall） > LED 显示屏 LED显示屏• LED电子显示屏（ LED panel ）是通过一定的 控制方式，用于显示文字、图形、图像、动 画、行情、视频、录像信号等各种信息的LED 器件阵列组成的显示屏幕 • 是集微电子技术、光电子技术、计算机技术 、信息处理技术于一体的大型显示系统。
它 以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命 长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的 佼佼者LED显显示屏的分类类 • 按基色划分– 单单色--构成LED显示屏 的发光像元只有一种颜 色，一般是红色或绿色 – 双基色--构成LED显示 屏的发光像元有红绿两 种颜色，依靠红绿两种 基色的不同灰度等级组 合可以显示多种颜色 可以显示文字、图片、 动画以及视频图 像 室内双基色手 机 背 光 源LED显显示屏的分类类– 全彩色--构成LED显示屏的发光像元有红绿蓝 三种 颜色，依靠红绿蓝 三种基色的不同灰度等级组合可 以较好地还原自然界的色彩，具有丰富的表现力，从 理论上讲，其色彩的还原能力超过电视 机，• 按控制方式划分 – 条屏—条屏由单片机控制 ，主要用于文字显示，本 身可独立工作，可用遥控 器输入信息，也可与计算 机通讯，接收计算机发 来的信息 – 图图文屏—图文屏由单片 机控制，一般无灰度控制 ，即发光像元只有一个亮 度等级，通过发光点的 亮或灭组成文字或图形 显示，双基色图文屏可 显示红绿黄三种颜色 – 视视屏—视屏是指LED屏幕 与其控制计算机的显示器 具有点-点对应的映射关 系，条屏• 按使用环环境划分 – 室内--室内屏指LED显示屏用于室内环境， 由于观看距离短，面积较室外屏小得多，因 此像素点也较小，室内屏的像素规格主要有 Ф3、Ф3.75、Ф4.8、Ф5以及Ф8 – 室外--室外屏指LED显示屏用于室外环境，要 求亮度较高，一般采用聚光封装，牺牲视角 换取亮度；在结构设计方面要考虑防水、防 潮、防腐蚀等措施；室外屏一般面积较大， 因此像素点也较大，室外屏的像素规格主要 有Ф11、方12，方15， Ф19、Ф26、Ф32等LED显示屏的广泛应用• 证券交易、金融信息显示 • 场航班动态信息显示。
航班住处显示系统（ Flight information Display system）. • 港口、车站旅客引导信息显示 • 体育场馆信息显示 • 道路交通信息显示 • 调度指挥中心信息显示 • 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传 及信息显示 • 广告媒体新产品 • 演出和集会 • 展览会室内全彩户外双基色室内双基色显示系统室内点阵式全彩芝加哥千禧公园的中心 装饰，皇冠喷泉室外大LED全彩色屏幕城市建筑装饰灯光工程LED显示屏发展趋势 • 高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年 快速降低，已具备成熟的商业化条件 • 标标准化、规规范化 – 材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后， LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏 发燕尾服的一个新趋势 • 产产品结结构多样样化 – 信息化社会的形成，LED显示民间的应用前景更 为广阔科学家开发出新颖的多色LED• 加利福尼亚大学 的科学家们在美 国洛斯阿拉莫斯 国家实验室已经 开发出第一个基 于半导体氮化镓 封装胶状量子点 的完全无机多色 LED三、半导体白光 照明 工程1、人类照明的历史 2、半导体照明的来临 3、半导体照明发展现状 4、未来的前景火 — 人 类 的 文 明人类照明的历史灯—延续历史几千年1879年爱迪生发明白炽灯荧光灯将电光源带入新天地• 但是，目前照明和城市美化所用大 部分灯具，只有5％的电能转换为 光能，造成巨大的能量损耗。
如果采用LED取代传统的照明方式 ，将在环保、节能等方面产生巨大 的效益•目前我国一年照明耗电量超过 2000亿千瓦时，占全国用电总 量的12％半导体灯替代传统 灯后，我国每年可节约近1000 亿千瓦时，超过2008年建成后 的三峡电站的发电量照明的要求• 白光（显色指数接近阳光） • 高亮度 • 长寿命 • 低成本半导体照明的来临一些实际情况下的光照度值无月夜天光在地面上所生的照度 3×10-4 lm/m2接近天顶的满月在地面所生的照 度 0.2 lm/m2 办公室工作时所必须的照度 20～ 100 lm/m2 晴朗的夏日在采光良好的室内的 照度 100～500 lm/m2夏日太阳不直接射到的露天地面 的照度 1000～10000 lm/m2如何使单色的LED发出白光？ 1.基于蓝光LED，通过荧光粉激发出黄光， 与蓝光组合成为白光Ａ.单芯片：a.InGaN(蓝)/YAG荧光粉 这是一 种目前较为成熟的产品，其中1W的和5W的 Lumileds已有批量产品这些产品采用芯片倒装结 构，提高发光效率和散热效果荧光粉涂覆工艺 的改进，可将色均匀性提高10倍实验证明，电 流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对 荧光光谱影响并不大。
寿命实验结果也较好，Φ5 的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80% ，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降 10%，估计工作5万小时后下降30%这种称为 Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光 通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80 GaN基蓝色LED芯片b.InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉 Lumileds公司 采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(绿色)和SrS： Eu2+(红色)荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较 好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高 InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉 Cree、日亚、 丰田等公司均在大力研制紫外LEDCree公司已生 产出50mW、385nm—405nm的紫外LED；丰田已 生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效 率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、 4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED ，会有较好效果 ZnSe和OLED白光器件也有 进展，但离产业化生产尚远 Ｂ.双芯片： 可由蓝LED+黄LED、蓝 LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LE。