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文檔簡介
1、半導體發(fā)光與顯示內 容 綱 要一、半導體LED發(fā)光的基本特性二、半導體顯示技術三、白光照明工程一、半導體發(fā)光二極管的基本特性1、什么是半導體發(fā)光二極管2、各種半導體對應的發(fā)光波長3、白光LED與普通白熾燈的發(fā)光光譜4、有機半導體發(fā)光二極管(OLED)5、LED的發(fā)展歷史6、LED的分類什么是發(fā)光二極管? 半導體發(fā)光器件主要包括半導體發(fā)光二極管(簡稱半導體發(fā)光器件主要包括半導體發(fā)光二極管(簡稱LED)、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏,)、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏,事實上,數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個事實上,數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極
2、管。發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。 LED具有高亮度、視覺遠大、圖像清晰、色彩鮮艷、具有高亮度、視覺遠大、圖像清晰、色彩鮮艷、穩(wěn)定性好、功耗低、光效高、壽命長等優(yōu)點穩(wěn)定性好、功耗低、光效高、壽命長等優(yōu)點。半導體發(fā)光機理1、發(fā)光中心的復合發(fā)光2、直接帶隙帶間復合發(fā)光各種半導體對應的發(fā)光波長 LED是由數層很薄的攙雜半導體材料制成,一層帶過量的電子,另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”,當有電流通過時,電子和空穴相互結合并釋放出能量,從而輻射出光芒。 LED的構造圖基本物理量 光通量光通量: 符號 ,單位 流明 Lm, 說明 發(fā)光體每秒種所發(fā)出的光量之總和,即光通量。光通量是衡量光源的重要參數。單
3、位為流明(符號為Lm) 光強光強:符號 I,單位 坎德拉 cd 定義為波長為550nm的單色光源發(fā)光時,如果它在某一方向上的輻射強度為1/681(W/sr),稱此單色光源在該方向上的發(fā)光強度為1坎德拉(cd)。說明 發(fā)光體在特定方向單位立體角內所發(fā)射的光通量 照度照度:照度是指單位面積上接收到的光通量。照度符號是E,照度單位是勒克斯(lx),計算式為:E=F/S式中:F光通量,流; S照明面積,米2; E照度,勒克斯 Lm/m2。 1勒(lx )相當于1米2被照面上光通量為1流明(lm)時的照度。夏季陽光強烈的中午地面照度約50000勒(lx),冬天晴天時地面照度約2000勒(lx),晴朗的月
4、夜地面照度約0.2勒(lx )。 亮度亮度:符號 L,單位 尼脫 cd/m2,說明 發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內的光通量 光效光效:單位 每瓦流明 Lm/w,說明 電光源將電能轉化為光的能力,以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示 平均壽命平均壽命:單位 小時,說明 指光源強度下降至50%時的小時數 顯色性顯色性 顯色性即光源射到物體上,呈現物體顏色的程度。顯色性越高,則光源對顏色的 還原越好,觀察到的顏色就越接近自然色。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為Ra=100,各類光源的顯色指數各不相同。顯色性是照明裝飾設計上非常重要的環(huán)節(jié),直接影響裝飾物品的效果。 發(fā)光光譜特性:帶間復合,峰值
5、波長與禁帶寬度Eg相對應,發(fā)光中心的復合發(fā)光,由發(fā)光中心位置決定,有一定的譜寬 溫度特性:溫度T上升,禁帶寬度Eg下降,載流子復合速率減小,發(fā)光強度下降,譜線紅移 發(fā)光效率和出光效率o:發(fā)光效率指半導體體內復合產生的光子數與注入的電子空穴對數之比;出光效率o指發(fā)射出體外的光子數與注入的電子空穴對數之比有機半導體發(fā)光二極管OLED OLED的結構OLED的優(yōu)點1.柔軟,可以是任意形狀,所以OLED顯示屏的外形不受限制,可以是任何形狀,可以放到任意物體的表面。由于使用了新的基質材料,OLED顯示屏比目前最薄的薄膜電晶體管(TFT)屏幕還要平整得多。 可以放在衣服上的顯示屏可以卷起來的顯示屏2.可視
6、角度大3.與無機晶體半導體發(fā)光二極管相比,成本低4.制備技術簡單缺點:1.亮度低2.穩(wěn)定性相對差3.工藝重復性有待提高LED的發(fā)展歷史羅塞夫lossew.o.w在1923年就發(fā)現了半導體SiC中偶然形成的p-n結的光發(fā)射1965年世界上的第一只商用化LED誕生,用鍺制成,單價45美元,為紅光LED,發(fā)光效率0.1 lm/w1968年利用半導體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光1971年出現GaP材料的綠光LED,發(fā)光效率也達到1 lm/wLED的發(fā)展歷史 80年代,重大技術突破,開發(fā)出AlGaAs材料的LED,發(fā)光效率達到 10 lm/w
7、 1990年到2001年,AlInGaP的高亮度LED成熟,發(fā)光效率達到 4050 lm/w 1990年基于SiC材料的藍光LED出現,發(fā)光效率為0.04 lm/w 90年代中期出現以藍寶石為襯底的GaN藍光LED,到目前仍然采用該技術色彩絢麗的單色色彩絢麗的單色LEDLED的分類 按發(fā)光顏色按發(fā)光顏色:分為紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。 按按LED出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色:出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色:可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。 按發(fā)光管出光面特征:按發(fā)光管出光面特征:分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管
8、等LED的分類 按按LED的結構:的結構:分為全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構 按發(fā)光強度和工作電流:按發(fā)光強度和工作電流:分有普通亮度的LED(發(fā)光強度100mcd);把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度LED。 超輻射發(fā)光二極管(SLD)LED、SLD、LD的區(qū)別器件LEDSLDLD器件結構Pn結復合區(qū)吸收區(qū)端面增透膜異質結諧振腔光輸出功率1mW0.3-5mW1-100nW光譜半寬nm50-10030-90 霓虹燈 廣告燈箱 平面招牌廣告 磁翻版 陰極管(crt)或石英管(dv)大型電視(成本非常昂貴) 彩色液晶顯示 映像投影設備 電視墻(tv-wall)
9、 LED 顯示屏顯示屏 LED顯示屏 LED電子顯示屏( LED panel )是通過一定的控制方式,用于顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的LED器件陣列組成的顯示屏幕。 是集微電子技術、光電子技術、計算機技術、信息處理技術于一體的大型顯示系統。它以其色彩鮮艷,動態(tài)范圍廣,亮度高,壽命長,工作性能穩(wěn)定而日漸成為顯示媒體中的佼佼者。LED顯示屏的分類顯示屏的分類 按基色劃分按基色劃分 單色單色-構成LED顯示屏的發(fā)光像元只有一種顏色,一般是紅色或綠色。 雙基色雙基色-構成LED顯示屏的發(fā)光像元有紅綠兩種顏色,依靠紅綠兩種基色的不同灰度等級組合可以顯示多種顏色??梢燥@示文
10、字、圖片、動畫以及視頻圖像。室內雙基色室內雙基色手手機機背背光光源源LED顯示屏的分類顯示屏的分類 全彩色全彩色-構成LED顯示屏的發(fā)光像元有紅綠藍三種顏色,依靠紅綠藍三種基色的不同灰度等級組合可以較好地還原自然界的色彩,具有豐富的表現力,從理論上講,其色彩的還原能力超過電視機, 按控制方式劃分按控制方式劃分 條屏條屏條屏由單片機控制,主要用于文字顯示,本身可獨立工作,可用遙控器輸入信息,也可與計算機通訊,接收計算機發(fā)來的信息。 圖文屏圖文屏圖文屏由單片機控制,一般無灰度控制,即發(fā)光像元只有一個亮度等級,通過發(fā)光點的亮或滅組成文字或圖形顯示,雙基色圖文屏可顯示紅綠黃三種顏色 視屏視屏視屏是指L
11、ED屏幕與其控制計算機的顯示器具有點-點對應的映射關系,條屏 按使用環(huán)境劃分按使用環(huán)境劃分 室內室內-室內屏指LED顯示屏用于室內環(huán)境,由于觀看距離短,面積較室外屏小得多,因此像素點也較小,室內屏的像素規(guī)格主要有3、3.75、4.8、5以及8 室外室外-室外屏指LED顯示屏用于室外環(huán)境,要求亮度較高,一般采用聚光封裝,犧牲視角換取亮度;在結構設計方面要考慮防水、防潮、防腐蝕等措施;室外屏一般面積較大,因此像素點也較大,室外屏的像素規(guī)格主要有11、方12,方15, 19、26、32等LED顯示屏的廣泛應用 證券交易、金融信息顯示 場航班動態(tài)信息顯示。航班住處顯示系統(Flight informa
12、tion Display system). 港口、車站旅客引導信息顯示 體育場館信息顯示 道路交通信息顯示 調度指揮中心信息顯示 郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示 廣告媒體新產品 演出和集會 展覽會室內全彩戶外雙基色室內雙基色顯示系統室內點陣式全彩 芝加哥千禧公園的中心芝加哥千禧公園的中心裝飾,皇冠噴泉裝飾,皇冠噴泉室外大LED全彩色屏幕城市建筑裝飾燈光工程LED顯示屏發(fā)展趨勢 高亮度、全彩化高亮度、全彩化 藍色及純綠色LED產品自出現以來,成本逐年快速降低,已具備成熟的商業(yè)化條件 標準化、規(guī)范化標準化、規(guī)范化 材料、技術的成熟及市場價格的基本均衡之后,LED顯示屏的標準
13、化和規(guī)范化將成為LED顯示屏發(fā)燕尾服的一個新趨勢。 產品結構多樣化產品結構多樣化 信息化社會的形成,LED顯示民間的應用前景更為廣闊科學家開發(fā)出新穎的多色科學家開發(fā)出新穎的多色LED 加利福尼亞大學的科學家們在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經開發(fā)出第一個基于半導體氮化鎵封裝膠狀量子點的完全無機多色LED。1、人類照明的歷史2、半導體照明的來臨3、半導體照明發(fā)展現狀4、未來的前景火人類的文明人類照明的歷史燈延續(xù)歷史幾千年1879年愛迪生發(fā)明白熾燈熒光燈將電光源帶入新天地 但是,目前照明和城市美化所用大部分燈具,只有5的電能轉換為光能,造成巨大的能量損耗。如果采用LED取代傳統的照明方式,將在環(huán)保、
14、節(jié)能等方面產生巨大的效益。目前我國一年照明耗電量超過2000億千瓦時,占全國用電總量的12。半導體燈替代傳統燈后,我國每年可節(jié)約近1000億千瓦時,超過2008年建成后的三峽電站的發(fā)電量照明的要求白光(顯色指數接近陽光)白光(顯色指數接近陽光)高亮度高亮度長壽命長壽命低成本低成本半導體照明的來臨一些實際情況下的光照度值無月夜天光在地面上所生的照度 310-4 lm/m2接近天頂的滿月在地面所生的照度 0.2 lm/m2 辦公室工作時所必須的照度 20100 lm/m2 晴朗的夏日在采光良好的室內的照度 100500 lm/m2夏日太陽不直接射到的露天地面的照度 100010000 lm/m2如
15、何使單色的如何使單色的LED發(fā)出白光?發(fā)出白光?1.基于藍光LED,通過熒光粉激發(fā)出黃光,與藍光組合成為白光.單芯片:a.InGaN(藍)/YAG熒光粉這是一種目前較為成熟的產品,其中1W的和5W的Lumileds已有批量產品。這些產品采用芯片倒裝結構,提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進,可將色均勻性提高10倍。實驗證明,電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移,但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結果也較好,5的白光LED在工作1.2萬小時后,光輸出下降80%,而這種功率LED在工作1.2萬小時后,僅下降10%,估計工作5萬小時后下降30%。這種稱為Luxeon的功率LED最高效率達
16、到44.3lm/w,最高光通量為187lm,產業(yè)化產品可達120lm,Ra為75-80。GaN基藍色LED芯片b.InGaN(藍)/紅熒光粉+綠熒光粉Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4:Eu2+(綠色)和SrS:Eu2+(紅色)熒光粉,色溫可達到3000K-6000K的較好結果,Ra達到82-87,較前述產品有所提高。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉Cree、日亞、豐田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生產出50mW、385nm405nm的紫外LED;豐田已生產此類白光LED,其Ra大于等于90,但發(fā)光效率還不夠理想;日亞于最近制得365nm、1mm2
17、、4.6V、500mA的高功率紫外LED,如制成白色LED,會有較好效果。ZnSe和OLED白光器件也有進展,但離產業(yè)化生產尚遠。.雙芯片:可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用。.三芯片(藍色+綠色+紅色)LED:Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件,色溫可達3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片,則缺少黃色調,Ra只能達到20或30。采用波長補償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程
18、度。美國TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景觀照明的系統產品,用Lumileds制成液晶電視屏幕(22英寸),產品的性能都不錯。.四芯片(藍色+綠色+紅色+黃色)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個三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED,每個器件光通量達130lm,色溫為5500K。 白光LED的構成方式 2.通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光 3.基于紫外光LED,通過三基色粉,組合成為白光藍、綠、白光LED白光LED優(yōu)異的性能固體冷光源,效率高,綠色環(huán)保 壽命長,可以達到10萬小時
19、(連續(xù)10年) 低電壓工作 是照明領域的又一次革命半導體照明的來臨美國國家半導體照明計劃 從2000年起國家投資5億美元 到2010年 55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈取代 每年節(jié)電達350億美元 2015年形成每年500億美元的半導體照明產業(yè)市場 日本日本21世紀照明計劃世紀照明計劃 投入資金50億日元 到2007年 30%的白熾燈被置換為半導體照明燈 歐盟的彩虹計劃歐盟的彩虹計劃 應用半導體照明實現: 高效 節(jié)能 不使用有害環(huán)境的材料 模擬自然光韓國韓國“固態(tài)照明計劃固態(tài)照明計劃”2004年-2008年韓國政府計劃投入1億美元,企業(yè)提供30%的配套資金,近期開始實施,預計2008年LED的發(fā)光效率達到80lm/W中國專家的呼吁 我國有近百名專家(兩院院士)聯名向國務院呼吁,以三峽工程的5%費用,支持我國的半導體照明產業(yè),用5-10年的時間的努力,1/3照明應用半導體照明,每年可以節(jié)約的電量1000億度,多于一個三峽水電站的發(fā)電量(800億度) 國家
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