第十二章半导体发光和显示.

半导体发光与显示内容纲要•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0.1lm/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1lm/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1lm/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10lm/w•1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到40—50lm/w•1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04lm/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10mcd）；超高亮度的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1mW0.3-5mW1-100nW光谱半宽nm50-10030-900.5相干长度不相干短，微米长，毫米光束分散角12030-4015-45工作原理自发辐射自发辐射＋光放大受激辐射＋光放大应用领域显示、照明，短距离光通信光纤陀螺、光纤传感光纤通信、光盘存储，激光测距，光纤传感，光学仪器1、显示方法的演变历史2、LED显示屏3、LED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。▫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（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、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。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3×10-4lm/m2接近天顶的满月在地面所生的照度0.2lm/m2办公室工作时所必须的照度20～100lm/m2晴朗的夏日在采光良好的室内的照度100～500lm/m2夏日太阳不直接射到的露天地面的照度1000～10000lm/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LED。Cree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。Ｃ.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色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景观