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1、物理系吴正云,半导体发光显示与照明,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、视觉远大、图像清晰、色彩鲜艳、稳定性好、功耗低、光效高、寿命长等优点。,半导体发光
2、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，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
3、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
4、 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
5、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
6、化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w1968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/w,LED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/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到 4050 lm/w1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04 lm/w90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L
7、ED,LED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10100mcd间的叫高亮度LED。超辐射发光二极管（SLD),LED、SLD、LD的区别,二、半导体显示技术,1、显示方法的演变历史2、LED显示屏3、L
8、ED显示器结构4、LED显示屏的分类5、LED显示屏的广泛应用6、LED显示屏发展趋势,显示方法的演变历史,传统的白积灯 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（LEDpanel）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
9、中的佼佼者。,LED显示屏的分类,按基色划分单色-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显示屏的分类,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。
10、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3、3.75、4.8、5以及8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11、方12，方15，1
11、9、26、32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（FlightinformationDisplaysystem）.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准化、规范化材料
12、、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。产品结构多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
13、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 310-4 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 20100 lm/m2,晴朗的夏日在采光良好的室内的照度 100500 lm/m2夏日太阳不直接射到的露天地面的照度 1000
14、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,.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，5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
15、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LED。Cree公司已生产出50mW、385nm405nm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365
16、nm、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。,.双芯片：可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。,.三芯片(蓝色+绿色+红色)LED：Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。采用波长补偿和光通量反馈方法可使
17、色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用Luxeon RGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸)，产品的性能都不错。.四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色)LED：采用465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。,白光LED的构成方式,2.通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光3.基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光,蓝、绿、白光LED,白光LED优异的性能,固体冷光源，效率高，绿色环保 寿命
18、长，可以达到10万小时（连续10年）低电压工作 是照明领域的又一次革命,半导体照明的来临,美国国家半导体照明计划,从2000年起国家投资5亿美元到2010年 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代每年节电达350亿美元2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场,日本21世纪照明计划投入资金50亿日元到2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯欧盟的彩虹计划应用半导体照明实现：高效节能不使用有害环境的材料模拟自然光,韩国“固态照明计划”2004年-2008年韩国政府计划投入1亿美元，企业提供30%的配套资金，近期开始实施，预计2008年LED的发光效率达到80lm/W,中国专家的呼吁,
19、我国有近百名专家（两院院士）联名向国务院呼吁，以三峡工程的5%费用，支持我国的半导体照明产业，用5-10年的时间的努力，1/3照明应用半导体照明，每年可以节约的电量1000亿度，多于一个三峡水电站的发电量（800亿度）国家启动国家半导体照明工程，5个基地：上海、深圳、南昌、大连、厦门,半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。我国于2003年6月正式启动了“国家半导体照明工程”，国家“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目也已正式立项，超高亮和白光LED成为近几年的热点投资领域。,半导体照明发展现状,发展速度超过人们的预测,技术进步迅速市场的发展速度领先于技术的发展政府
20、与民间共有热情有多家公司参与在半导体领域中与国际水平最接近，基本上与国际水平同步发展，有部分领先,部分领域已经应用,已开始从小功率白光LED灯用起，如安全照明灯、显微镜灯、白光背光源、手电筒、特种白光照明等，并逐步向白光照明迈进潜水灯、防爆灯、高档汽车的照明灯（奔驰、宝马、奥迪A8等汽车）飞机和高档汽车的阅读灯,已经走近我们的生活,白光LED射灯,可与目前普通灯具互换的LED白光灯,白光LED照明存在的问题,价格过高发光效率还不够高，性价比低半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与10万小时的理论寿命有差距,技术上的难题,大功率LED的散热问题LED的光衰问题P型欧姆接触问题发光芯片倒装（Flip-Chip)的技术问题发光效率和封装过程的光的损失,未来的指标,发光效率达到 200 ml/w显色指数接近 100%新的半导体材料和技术会进一步发展价格下降，为百姓所接受,未来的前景,抓住新机遇,一场革命带来新的危机一场革命带来新的机遇新的行业的诞生衍生产品创造新的精彩世界抓住机遇，迎接挑战,谢谢！,Thank you!,
