半导体发光二极管及固体照明概述

1、半导体发光二极管及半导体发光二极管及固体照明固体照明主讲：杨锦耀主讲：杨锦耀1. 1. 固体照明概述固体照明概述1.1 1.1 照明技术的变迁照明技术的变迁 5050万年前燃烧树木作为光源。万年前燃烧树木作为光源。 18761876年爱迪生发明白炽灯年爱迪生发明白炽灯 19381938年发明日光灯年发明日光灯 目前有目前有21%21%的能源用于照明的能源用于照明1.1.白炽灯白炽灯 灯内充惰性气体。大部分是红外光，发光灯内充惰性气体。大部分是红外光，发光效率为效率为7%7%；8 8流明流明/ /瓦。瓦。 寿命寿命75075010001000小时。小时。2.2.钨丝卤素灯钨丝卤素灯 卤化物分解钨

2、又回到钨丝上卤化物分解钨又回到钨丝上。寿命。寿命20002000小时。小时。3.3.日光灯日光灯 气体放电灯多为紫外线。气体放电灯多为紫外线。 卤化磷酸盐卤化磷酸盐 荧光粉荧光粉 三基色荧光粉三基色荧光粉 宽带荧光粉宽带荧光粉 寿命长，寿命长，100100流明流明/ /瓦，瓦，2400024000小时。小时。 常温下有最高效率。常温下有最高效率。 但有噪声，含汞。但有噪声，含汞。 演色性演色性80808585。4.4.低压纳灯低压纳灯 589nm589nm和和589.6nm 530589.6nm 530流明流明/ /瓦。瓦。5.5.高压汞灯高压汞灯 蓝绿光，寿命蓝绿光，寿命8000800010

3、00010000小时。小时。6.6.高压钠灯高压钠灯 6060120流明流明/ /瓦瓦, ,寿命寿命2400024000小时。小时。7.7.金属卤化灯金属卤化灯 7070110110流明流明/ /瓦，寿命瓦，寿命200020003000030000小时小时 总之：未来的光源是白光总之：未来的光源是白光LEDLED。 LEDLED：是冷光源：是冷光源 寿命寿命100000100000小时小时 反应时间：反应时间：100ms100ms1.2 1.2 半导体发光二极管的基本原理半导体发光二极管的基本原理发光二极管制造材料：发光二极管制造材料： -族、族、-族化合物族化合物 红光红光：AlGaInP；

4、 蓝绿光：蓝绿光：AlGaInN 直接带隙材料：直接带隙材料： GaN-InN-AlN GaAs InP InAsGaN-InN-AlN GaAs InP InAs 它们的导带最低点与价带最高点在同一它们的导带最低点与价带最高点在同一K K点，点，电子与空穴可以有效地再复合而发光。电子与空穴可以有效地再复合而发光。 发光跃迁有多种可能性：发光跃迁有多种可能性： （a a）、（）、（b b）是）是 AlGaInPAlGaInP红光红光LEDLED发光的原理；发光的原理； （C C）是）是AlGaInNAlGaInN蓝、绿光发光的原理。蓝、绿光发光的原理。掺杂会在带隙中产生：掺杂会在带隙中产生：施

5、主能级施主能级和和受主能级受主能级。电子与空穴复合称为自发辐射，光为多方向的；电子与空穴复合称为自发辐射，光为多方向的；如果为激发辐射发光方向一致如果为激发辐射发光方向一致-激光二极管。激光二极管。PNPN结能带结构：结能带结构： P P型材料掺施主杂质；（产生空穴）型材料掺施主杂质；（产生空穴） N N型材料掺受主杂质。（产生电子）型材料掺受主杂质。（产生电子） 加正向偏压时耗尽层削弱，高密度电流下，加正向偏压时耗尽层削弱，高密度电流下， 电子与空穴复合产生光，不发光的产生热。电子与空穴复合产生光，不发光的产生热。 hchc 1240 1240 E E E E发光器件要具有：发光器件要具有：

6、 高的内部量子效率和高的内部量子效率和 高的外部量子效率。高的外部量子效率。= =(nm) 同质结构同质结构PNPN结折射率之差低，光的域值低。结折射率之差低，光的域值低。双异质结构双异质结构PNPN结折射率之差高，发光效率高。结折射率之差高，发光效率高。 LEDLED活性层采用量子阱结构，能带图如下：活性层采用量子阱结构，能带图如下： 量子阱的带隙是不连续的，可产生多种跃迁，量子阱的带隙是不连续的，可产生多种跃迁，发出不同波长的光发出不同波长的光 不同材料不同材料LEDD的的I-V特性如下图：特性如下图：LEDLED发展史：发展史：1.3 1.3 照明技术基本参数照明技术基本参数照明参数：视

7、觉；测光；比色；辐射线测量。照明参数：视觉；测光；比色；辐射线测量。人眼对光的感应强度与波长的关系：人眼对光的感应强度与波长的关系： 杆状细胞杆状细胞-感觉光强（敏感）灰度感觉光强（敏感）灰度视网膜视网膜 锥状细胞锥状细胞-感觉颜色（不敏感）颜色感觉颜色（不敏感）颜色 L L长波（红色）长波（红色） 锥状细胞三色素锥状细胞三色素 M M波长（绿色）波长（绿色） S S波长（蓝色）波长（蓝色） 光辐射测量用光辐射测量用W W（瓦特）（瓦特）照明参数照明参数 测光用测光用lmlm（流明）（流明） 发光效率发光效率K K（lm/Wlm/W） 三原色值三原色值 比色比色 色度坐标色度坐标 色温色温（测

8、量颜色）（测量颜色） 演色性演色性 显色性显色性 R（红）（红）一般颜色可由三个基本颜色来代表：一般颜色可由三个基本颜色来代表： G（绿）（绿） B（蓝）（蓝） 有些单色无法用这三种颜色代表，可用假定有些单色无法用这三种颜色代表，可用假定的三个函数来代表：的三个函数来代表： X= x（）S（）d Y= y（）S（）d Z= z（）S（）d 19311931年年CIECIE采用了理想观察者进行测量，得采用了理想观察者进行测量，得出色彩匹配函数图，为了方便引入了出色彩匹配函数图，为了方便引入了x x、y y坐标。坐标。 X YX Y X+Y+Z X+Y+Z X+Y+Z X+Y+Z y=y=x=x=z=1-x-yz=1-x-y黑体发热体的光谱黑体发热体的光谱普朗克曲线在不同色温下的等温直线普朗克曲线在不同色温下的等温直线色度图色度图色度图中不同区域的颜色分布色度图中不同区域的颜色分布用不同的颜色可以组合所需颜色用不同的颜色可以组合所需颜色三种不同的光谱均可组成白光三种不同的光谱均可组成白光 因白色中心与蓝、绿色距离比红色远，因白色中心与蓝、绿色距离比红色远，用用u u、v v代替代替x x、y y坐标：坐标： 4x 6x -2x+12y+3 -2x+12y+3U= U= ； V=V= 因为前图不对称用因为前图不对称用uu、v v 来代替来代替x x、y y： 4x