【材料课件】第九章半导体光电子材料

第九章半导体光电子材料电子器件和光电子器件应用是半导体材料最重要的两大应用领域半导体材料Si，GaAs和GaN，InP等既是重要的电子材料，也是重要的光电子材料8.1半导体激光材料1962年，GaAs激光二极管的问世，作为半导体光电子学的开端。激光的激射波长取决于材料的带隙，且只有具有直接带隙的材料才能产生光辐射，它使注入的电子－空穴自己发生辐射复合以得到较高的电光转化效率产生激光的条件1.形成粒子数反转，使受激辐射占优势2.具有共振腔以实现光量子放大3.外界输入能量至少要达到阈值，使激光管的增益至少等于损耗LD材料GaAs基InP基GaN基GaSb基8.2半导体显示材料发光二极管（LED）电致发光显示8.2.1发光二极管LED发光二极管Light-EmittingDiode是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。LED应用半导体白光照明车内照明交通信号灯装饰灯大屏幕全彩色显示系统太阳能照明系统其他照明领域紫外、蓝光激光器高容量蓝光DVD、激光打印和显示、军事领域等LED照明的优点发光效率高，节省能源耗电量为同等亮度白炽灯的10%-20%，荧光灯的1/2。绿色环保冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少寿命长寿命可达10万小时固体光源、体积小、重量轻、方向性好单个单元尺寸只有3~5mm响应速度快，并可以耐各种恶劣条件低电压、小电流半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一地区＼条件·效益条件能源节约降低二氧化碳排放美国5％白炽灯及55％日光灯被白光LED取代每年节省350亿美元电费。每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100％白炽灯被白光LED取代可少建1-2座核电厂。每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾25％白炽灯及100％日光灯被白光LED取代节省110亿度电，约合1座核电厂发电量。美国半导体照明计划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%配套资金，近期开始实施，预计2008年LED的发光效率达到80lm/W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。国家启动国家半导体照明工程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）中国专家的呼吁高亮度白光LED的实现基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光ghEhGe：Eg＝0.67eV红光GaP：Eg＝2.25eV绿光GaN：Eg＝3.4eV蓝光日亚公司1994年首创用MOCVD制备了GaNLED市场分布分析2003年全球GaN基LED芯片产量按全球LED市场划分，目前市场主要集中在日本、美国、欧洲等发达国家和地区，仅日本、美国市场就占到全球的60％以上。按应用领域划分，目前，高亮度LED主要用途及市场有显示器背光源（如手机、PDA）、标志（如户外显示）、景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照明等。8.2.2电致发光材料电致发光又称为场致发光，与LED的低电场结型发光相比，是一种高电场作用下发光。电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发光材料1）粉末发光材料半导体粉末发光材料的发光特性主要由一线特殊杂质作为激活剂和共激活剂所决定的ZnS粉末，常用Cu作为激活剂；Al，Ga，In等作为共激活剂常用的电致发光粉末材料ZnS:Mn,Cu----发黄光ZnS:Ag----发蓝光ZnS:Cd,Ag----发红、绿光2）薄膜发光材料薄膜发光材料发光机理和粉末材料基本相同但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光亮度也较高常用薄膜电致发光材料ZnS:Mn----发黄光ZnS:Tb----发绿光ZnS:Mn-----发蓝光8.2.3阴极射线发光材料阴极射线管是将电信号转换成光学图像的电子束管，常见的彩色电视显像管它的光电转换是通过其中的荧光屏来实现的；所用蓝粉和绿粉以ZnS为主8.3太阳能电池材料Si电池材料化合物半导体材料8.3.1Si电池材料单晶Si电池多晶硅电池带状硅电池薄膜硅电池材料8.3.2化合物半导体材料CuInSe2电池CdTe电池；GaAs电池GaSb电池