半导体照明技术(第六讲)孟
LED照明培训教材精讲
定义 <=18o 18o~36o >=36o
例 8o,10o,12o 20o,25o,30o 36o,40o,80o
全面环境评价
我们可以从一只灯寿命的全过程（从原材料到废物处理）来评价它对环境的全面影响
全面环境评价
原材料
生产制造
应用
废物处理
研究结果表明：一只光源对环境影响最大的是应用过程，大约占90%，主要是能源消耗。 而所有其他过程(原材料,生产制造,废物处理)只占10% ，生产制造过程还包括了化学过程 和耗能过程,连同包装、运输等对环境造成的污染
有危险
Ⅱ类 除基本绝缘,还有补充绝缘,做成双重 绝缘性好,安全程度高,适用于环境差、人
绝缘或加强绝缘,提高安全性
经常触摸的灯具,如台灯、手提灯等
Ⅲ类 采用特低安全电压(交流有效值<50V), 灯具安全程度最高,用于恶劣环境,如机床
且灯内不会产生高于此值的电压 工作灯、儿童用灯等
灯具按维护性能分类
对不密封的灯具,尘埃积集会对光输出的程度有影响,有六中不同结构
全面环境评价
90% (能耗)
原材料
生产制造
应用
废物处理
全面环境评价
我们的结论
1.降低应用过程的能耗是绿色照明的核心，即开发、推广节能高效的光源、灯具和附件。
2.减少原料和制造过程中能源材料的消耗和有害物质的使用
《半导体发光材料与器件》教学大纲
《半导体发光材料与器件》课程简介
课程编号：08034023
课程名称：中文/英文
学分：2
学时：32 （实验：0上机：0课外实践：0）
适用专业：光源与照明
建议修读学期：6
开课单位：数理科学与工程学院光源与照明系
先修课程：半导体物理与器件
考核方式与成绩评定标准：闭卷笔试。总成绩二平时分*30%+期末考试*70%。平时成绩分为平时作业、课堂讨论、出勤率等量化成分值。
教材与主要参考书目：
教材：《半导体照明技术》，方志烈编著，电子工业出版社，2009年出版
主要参考书目：1.《半导体发光材料和器件》，方志烈编著，复旦大学出版社，1992年出版
2.《半导体材料》，杨树人等编著，科学出版社，2004年出版
3.《半导体器件物理》，王家骅编著，科学出版社，1983年出版
4.《半导体器件物理》，［美］施敏（S.M.Sze）编著，电子工业出版社，1987年出版
5.《现代半导体器件物理》，施敏主编，科学出版社，2001年出版
6.（Light-emitting diodes》,E. F. Schubert, Cambridge University Press, 2006 年出版
内容概述：中文：本课程是一门综合课程，它以大学前期所学的《大学物理》、《光源与照明物理概论》、《半导体物理与器件》等课程为基础，主要介绍了作为固态光源基础的半导体发光材料与器件的相关知识。其内容包括：发光二极管以及半导体激光器制备材料的基本特性、发光原理、制备工艺、测试方法和应用等方面的知识。这些知识在半导体照明中已得到了广泛的应用，是光源与照明专业学生深入学习专业知识与实验技能必须具备的基础知识。作为光源与照明专业主干课程，将从基本概念、基本定律和基本的研究方法出发，结合光源与照明专业最新进展，介绍基础知识在生产中的实际应用以及发展趋势，增进同学们学习专业基础知识的动力。也为部分同学以后的研究生学习打下坚实的理论基础。
半导体照明术语及定义(芯片外延片)
外延术语
1、外延生长（Epitaxy）
2、量子阱（Quantum Well）
3、能带工程（Energyband engineering）
4、半导体发光二极管（Light Emitting Diode）
5、PN结的击穿（PN junction Striking）
6 Deposition）
7、异质结构（Heterogeneous Structure）
8、量子阱半导体激光器（Quantum Well Laser）
9、超晶格（Super Lattice）
Epitaxy
GaP：磷化镓
n-GaN：N型氮化镓
p-GaN：P型氮化镓
GaAs：砷化镓
GaN：氮化镓
AlInGaP：磷化铝镓铟（铝铟镓磷）
AlGaAs：砷化铝镓（铝镓砷）
InGaN 铟镓氮
AlGaN 铝镓氮
Wafer：晶片、外延片
分析仪器
1、XRD：X射线衍射仪，主peak GaN分析仪器
2、PL：荧光光谱仪（或光致发光光谱仪），Peak强度越强，FWHM越窄，表示有
较佳的QW。
3、Hall：霍尔测试仪，利用霍尔效应测量载流子（对n-GaN载流子为电子，对p-GaN,载流子为空穴）迁移率（mobility）以及Sheet Resistance，分析时同结构若有相同的掺杂（Doping），若是量测的迁移率mobility较小，可以推测此结构有较多的缺陷（Defects）。
4、SEM（Scanning Electron Microscopy）：扫描式电子显微镜，测量刻蚀深度、
及刻蚀截面状况。
5、Microscope：显微镜
6、Differential Microscopy（Nikon-OPTI PHOT）：晶相（金相）显微镜，用
半导体照明技术的研究与展望
半导体照明技术的研究与展望近年来，随着人们对环保理念的不断加强，照明领域也逐渐向高效、节能、环保的方向发展。半导体照明技术作为一种新型的节能照明技术，具有高效、节能、环保、寿命长、色彩鲜艳等特点，越来越受到人们的关注。
一、半导体照明技术的概念及原理
半导体照明技术是指利用半导体材料的特性，将电能直接转化为光能，实现照明效果。半导体照明技术的主要原理是在半导体材料中加入少量的杂质，形成PN结，在给予电压的作用下，电子与空穴复合释放出能量，产生光辐射。
二、半导体照明技术的优势
相比于传统的白炽灯和荧光灯，半导体照明技术具有以下几点优势：
1. 高效：半导体照明技术能够将电能直接转化为光能，相比于传统照明技术，能够大大提高能源的利用效率。
2. 节能：半导体照明技术的功耗较小，能够实现节能目的。同时，半导体照明技术在使用过程中不会产生“暖效应”，不会浪费能源。
3. 寿命长：半导体照明技术使用寿命较长，一般可达到数万小时以上。
4. 环保：半导体照明技术使用过程中不会产生有害物质，不会对环境造成污染。
5. 色彩鲜艳：半导体照明技术的光线颜色丰富，可根据需要调整亮度和色彩，产生更加舒适的照明效果。
三、半导体照明技术在市场上的应用
随着半导体照明技术的逐渐成熟，其在市场上的应用也逐渐扩大。目前，半导体照明技术已经广泛用于室内和室外照明领域，包括商业照明、道路照明、家居照明、汽车照明等。
在商业照明领域，半导体照明技术被广泛应用于酒店、商场、
餐饮等场所，其高显色指数和稳定的光质成为商家展示商品和服
务的最佳选择。
半导体照明技术(第一讲)
半导体照明技术
著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射 功率与波长的函数关系，普朗克的黑体辐射公式是：
E() 2c2h
(e 1) 5
hc / kT
2009年厦门市光电产业实现产值404.39亿元，首次突破400亿 元，销售收入398.72亿元。2009年，产值及销售同时超亿的厦门 市光电企业有29家。2009年厦门市节能灯照明出口占有量继续保 持全球市场20%以上，为全球高端节能照明的制造和出口基地。
半导体照明技术
第一章 光 视觉 颜色
本章主要介绍光、视觉、颜色等与照明技术有关的基础知识。
互作用是，能量的交换是以hν的形式一份一份地进行的，即
能量是不连续的。
半导体照明技术
二、光的产生和传播
1、光的产生
通常，光按两种方式产生，即热辐射和发光。
（1）热辐射 热辐射是指物质在高温下辐射出热能。当物体被加热到高温
时，组成它的原子或分子将产生热运动，并互相碰撞使电子获得 能量而被激发，从而产生辐射。
生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metalorganic Chemical Vapor DePosition ，缩写MOCVD) 、
7.半导体照明发光材料
发光原理
• 当发光材料受到激发（射线、高能粒子、电子束、 外电场等）后，将处于激发态，激发态的能量会通 过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位 于可见、紫外或是近红外的辐射波长，此过程称之 为发光过程。
6
2. 半导体照明
• 半导体照明，亦称固态照明，是利用固体半导体芯 片作为发光材料(LED)，在半导体中通过载流子发生 复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、 黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
16
3. 半导体发光材料
• 半导体发光材料是发光器件的基础。
➢ 第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主元素的半导 体占统治地位。
➢ 以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料显 示了其巨大的优越性。
➢ 氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体）为代表的第三 代半导体材料，由于其优越的发光特征正式成为最重要的 半导体材料之一。
26
4. 白光LED发光材料
• 实现白光 LED 有多种方案，而光转换白光 LED 是 当今国内外的主流方案。白光 LED 的关键材料—— —高性能光转换荧光体的研发成为热点，因为它决 定白光 LED 的光电重要特性和参数。目前实现半导 体照明的有以下三种主要方法： • 1）采用蓝光 LED 激发黄光荧光粉，实现二 元混色白光； • 2）利用 UVLED 激发三基色荧光粉，有荧 光粉发出的光合成白光； • 3）基于三基色 LED 芯片合成白光。
半导体器件物理__1孟庆巨
半导体器件及其发展
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相关 的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
M-S 结构 PN结 MOS结构 异质结 量子阱
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理 学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设 计、测试与加工、图论、化学等多个学科。
微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成 度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发 展的方向。
微电子学以实现电路和系统的集成为目的， 故实用性极强。 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学 科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如 微机电系统(MEMS)、生物芯片等。
半导体器件的发展历程
1874年F.Buran半导 体器件的第1项研究
1947年晶体管 1907年 H.J.Round，发光 二极管LED 1956年诺贝尔 奖
金属－半导体接触
萌 芽 期
1870
1930
1940
1950
量子力学的发展 以及半导体材料 制备技术的成熟
半导体的光电导、 光生伏特效应、 整流效应。
• 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类 –通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU。 – 集 成 器 件 制 造 商 (IDM— Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系 统。 –标准工艺加工厂或称代客加工厂，即Foundry。 Foundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品。 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为 客户提供加工服务。 客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着 技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交 给Foundry加工。
研究内容、方法、技术路线-范本模板
项目研究开发内容、方法、技术路线
一、半导体照明路灯主要研究内容
1、灯具系统的结构、热性能设计
LED的工作工况和散热不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率，而且还关系到LED的使用寿命。又因为在户外使用的道路灯具,应具有一定等级的防尘防水功能（IP），良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。解决这个相互矛盾但又都得解决的两个问题是道路灯具设计时应关注的一个重要方面.在这一方面也是国内把LED应用于道路灯具中时出现不合格及不合理的情况最多的。国内目前使用中出现的不合格及不合理的情况基本有：对LED采用了散热器,但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到IP45及以上等级，无法满足GB7000。5/IEC6598-2—3 标准的要求。
采用普通的道路灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED，这种设计虽说能满足IP试验，但是由于灯具内的不通风会造成在工作时,灯具内腔的温度会升高到50℃～80℃，在如此高的工况下，LED的发光效率是不可能高的，同时LED的使用寿命也将大打折扣。
在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热,其进风口设计在灯具的下方,以避免雨水的进入,出风口设计在下射LED光源的四周。这样也能有效避免雨水的进入，另外散热器和LED(光源腔）不处于同一空腔内，这种设计如做的好，按灯具的IP试验要求，能顺利通过。这一方案，不仅解决了LED的散热问题，而且同时满足了IP等级的要求。但是这种看似良好的设计，实际上存在明显的不合理情况。因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合,空中的飞尘量是较大的，有时会达到很大（例如起沙尘暴），这类灯具在一般条件下使用一段时间后（约三个月至半年)，其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，使散热器效果大打折扣,最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短.这一方案的不足是在于不能持久良好地使用。
《半导体照明讲座》PPT课件
光强(l)是指在某一特定方向角（w） 内所发射的光通量（Φ）
h
6
1、重要照明术语
——照度E
• 单位：勒克司[lx]
• 照度（E）是光 通量与被照射面 积之间的比例系 数。
• 1 lx即指1 lm的光
通量平均分布在 面积lm2平面上 的明亮度。
照度E
h
7
1、重要照明术语
• 单位：坎德拉/平方米[cd/m2] ——辉度L
• 冷色光
又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源
接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中。适用于办公
室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、
展览橱窗等场所。
h
15
3、推荐照度范围
照度范围（LX）应用场所
1.20-30-50 室外活动场所及工作场所。如走廊、贮藏室、
楼梯间、浴室、咖啡厅、站前广告等等。
h
光线和辐射
4
1、重要照明术语
——光通量Φ
光强分布图
• 单位：流明[lm]
• 光源发射并被人的眼 睛接收的能量之总和 即为光通量（Φ）。
h
5
1、重要照明术语
• 单位：坎德拉[cd]
——光强l
• 一般来讲，光线 都是向不同方向
发射的，并且强
度各异。可见光 在某一特定方向 角内所发射的强 度就叫做光强 （l）。
半导体器件物理_孟庆巨课件
B(substrate),衬底极。
通常接地，有时为了控制电流或由
于电路结构的需要，在衬底和源之 间也加一个小偏压(VBS)。
若栅极材料用金属铝，则称“铝栅”器件；
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前
绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
半导体器件物理_孟庆巨
8
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质 扩散而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区， 沟道区长度为L，宽度为W。
ID S nC OW X L(V G SV T1 2V D)V SDS
随着VDS的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象 逐步表现出来，漏端处的沟道变窄，沟道电阻增大， 使ID随VDS变化趋势减慢，偏离直线关系。
半导体器件物理_孟庆巨
21
（2）饱和区
当VDS增加到使漏端沟道截面积 减小到零时，称为沟道“夹断”。
VFB
Vms
Qfc COX
半导体器件物理_孟庆巨
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• 阈值电压
VT
VFB2VF
QB Cox
VmsQ Cofcx2VF
QB Cox
半导体器件物理_孟庆巨
18
2、MOSFET的电流－电压关系
• MOSFET的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖 于栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。
• 当MOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产 生压降，使MOS结构处于非平衡状态，N型沟道的 厚度、能带连同其费米能级沿y方向均随着电压的 变化发生倾斜。
半导体照明课件 8 第6章 半导体照明光源的发展和特征参量
3、显色指数(Ra) 光源发射的光对被照射物颜色正确反映的量称为显色
指数。 不同的环境对照明光源的显色指数Ra有不同的要求。
在传统光源中，发光效率和显色性始终是个矛盾，显色性 好的光源发光效率极低，且长期无进展；而发光效率高的 传统光源又往往显色性很差。
LED光源的优点是既可将发光效率提高，又可同时提 高显色性。
质结构、量子阱和超晶格结构。而MOCVD的生长速度比 MBE快得多，特别适合于生产。
三、高亮度发光二极管芯片结构
刚开始研制成的高亮度LED，都是在半导体激光器件中已成熟
采用的双异质结结构，这种结构生长的特点是生长容易，提高发光
效率的效果明显，它的特制双异质结构形成的势垒将注入的载流子
限制在复合区内，大大提高了发光复合效率。但为了提高发光效率，
来用到InGaN倒装芯片上非常有效，硅取代了导热的蓝 宝石衬底，再加上金属反射效果，适合于功率LED制造。
6、透明胶质黏结型 利用旋涂式玻璃将AlGaInP外延片与透明衬底蓝宝石
黏结，然后再将GaAs衬底腐蚀移除，并在其上形成n型欧 姆接触电极，同时部分刻蚀至p型电路分布层而形成另一 个p型欧姆接触电极。两个电极位于同一方向，由于蓝宝 石透光性能极好，Led的发光效率得以大幅度提升。
第三阶段：以有机金属气相外延手段为主的AlGaInP和 AlGaInN材料系。
一、发光二极管的发展
半导体光电子学第6章半导体发光二极管
6.2 LED的结构
n 和半导体激光器一样，短波长(0.82~0.85m) 和长波长(l.3m，1.55m)的发光二极管分别 使用GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP双异质结 构。用这些直接带隙跃迁材料能保证在室温下 给出较高的内量子效率(50%)，发射波长同 样由材料的禁带宽度所决定。
一、边发光二极管 二、面发光二极管 三、超辐射发光二极管
一、边发光二极管
边发光二极管和通常的电极条形双异质结构基本相同，一 般是在n型衬底上用外延的方法相继生长N型限制层-有源 层-P型限制层-P+盖帽层。为了防止在有源区产生受激发射， 需要设法消除光子可能形成的谐振。
主要有两种方法。
方法之一是将接触电极条控制在适当的长度范围，使电极条距某一端面 形成非泵浦(注入)区或吸收区，使有源区中产生的光子在到达该端面之 前已被吸收掉，光子在沿纵向运动中产生净吸收而不产生净增益。
PPT文档演模板
半导体光电子学第6章半导体发光二 极管
三、发光二极管的发射谱
n 半导体发光二极管的自发发射的特点决定了它的发射光 谱是很宽的，要比半导体激光器的线宽高几个数量级。 而且光谱宽度Δ与峰值波长有关，可表示为
•(6.3-2)
式中p为峰值发射波长，h为普郎克常数，c为光速，kB 为玻尔兹曼常数，T为温度，n为与器件结构和掺杂情况 有关的常数，一般有n2。边发光二极管所发射的峰值 波长与光谱宽度Δ受其结构参数的影响。
半导体器件物理_1孟庆巨PPT课件
.
• 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类
–通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU。
– 集 成 器 件 制 造 商 (IDM— Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系 统。
• 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数 模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
.
集成电路的现状
• 不断提高产品的性能价格比是微电子技术 发展的动力
• 集成电路产业的现状： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundry） 独立的封装厂家（ Packaging)
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相 关的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
▪ M-S 结构 ▪ PN结 ▪ MOS结构 ▪ 异质结 ▪ 量子阱
.
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
MOS场效应晶体管
TFT及其制造技术
.
第一章绪论
➢什么是微电子技术 ➢晶体管的发明和半导体器件的发展 ➢集成电路的发展历史和现状
半导体照明技术(第七讲)
半
五、铝镓铟磷
导
体
照
明
技
术
约为0.5 0.5时 1、(AlxGa1-x)yIn1-yP，y约为0.5时，其晶格常数几乎完美地与 GaAs匹配 匹配。 GaAs上生长的高质量 上生长的高质量(Al GaAs匹配。在GaAs上生长的高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半 导体照明中重要的异质结构材料。 导体照明中重要的异质结构材料。 2、直接带隙到间接带隙的转变出现在x=0.65，对应于带隙能 直接带隙到间接带隙的转变出现在x=0.65， x=0.65 2.3eV，因此能得到656nm 540nm范围内的光发射 656nm到 范围内的光发射。 量2.3eV，因此能得到656nm到540nm范围内的光发射。用它制 成的发光二极管得到了可见光中最高的发光效率， 614nm达 成的发光二极管得到了可见光中最高的发光效率，在614nm达 108lm/W。 到108lm/W。 3、通常，n型掺杂可用Te或Si作为施主而实现，p型掺杂的典 通常， 型掺杂可用Te或Si作为施主而实现， 型掺杂的典 Te 作为施主而实现 受主是Zn Mg。 Zn和 型受主是Zn和Mg。 4、生长这种四元化合物的成熟技术是金属有机物化学气相淀 (MOCVD)。 积(MOCVD)。
半
导
体
照
明
技
术
第六章 半导体照明光源的发展和特性参量
半导体照明技术的研究与应用
半导体照明技术的研究与应用随着人们对节能减排和环保的重视程度不断提高，半导体照明技术逐渐被广泛应用于各个领域，成为了照明产业的重要组成部分。半导体照明技术以LED为代表，运用半导体物理学和光学技术，将电能转化为光能，实现低功耗、高亮度、长寿命、环保等优势，极大地推动了照明产业的发展。本文将对半导体照明技术的研究与应用进行探讨。
一、半导体照明技术的优势
半导体照明技术是一种新型的照明技术，相比传统的白炽灯、荧光灯等照明设备，半导体照明具有以下优势：
1. 高效节能。半导体照明能源转换效率高，能将电能转化为光能，实现更加高效的能量利用。与传统的白炽灯相比，半导体照明的能耗仅为白炽灯的一半，因此被称为“节能之光”。
2. 高亮度。半导体照明可以实现高亮度照明，呈现出明亮、柔和、自然的光线，可以满足不同照明需求。
3. 长寿命。半导体照明寿命长、抗冲击、防水防尘，可达数万
小时，相比传统照明具有更长的使用年限。
4. 环保。半导体照明不含汞、铅等重金属，不会产生UV辐射，不会对环境造成污染，因此更加环保。
二、半导体照明技术的应用
1. 家居照明。半导体照明技术可以应用于各类家居照明，如卧室、客厅、厨房等，可以实现柔和舒适的照明效果，同时具有节能、环保等优势，得到了越来越多家庭的青睐。
2. 商业照明。半导体照明技术适用于各类商业照明，如酒店、
商场、超市等，可以实现高亮度、长寿命、节能、维护成本低等
优点，降低了商家的运营成本。
3. 路灯照明。半导体照明技术应用于路灯照明可以实现高亮度、长寿命、节能等优势，使得城市的夜间通行更安全、更便捷，为
半导体照明技术
半导体照明技术
半导体照明技术是指利用半导体材料来实现照明的一种技术。随
着科技的不断发展和人们对能源节约的追求，半导体照明技术在近年
来得到了广泛的应用和重视。本文将从半导体照明技术的原理、优势
以及应用前景等方面进行探讨。
半导体照明技术的原理是基于半导体材料的发光性质。当电流通
过半导体材料时，半导体材料中的电子和空穴被激发到较高的能级，
并在重新回到基态时释放出光子，产生可见光。因此，通过加电流的
方式，可以实现半导体材料的发光。与传统的白炽灯和荧光灯相比，
半导体照明技术具有高效能、长寿命、快速启动、可调光等优势。
首先，半导体照明技术具有高效能的特点。由于半导体材料的发
光原理，该技术可以将电能高效地转化为光能，而且产生的热量较少。相比之下，传统的白炽灯和荧光灯产生大量的热量，能源的利用效率
较低。高效能的特点使得半导体照明技术在能源消耗和环境保护方面
具有巨大的潜力。
其次，半导体照明技术具有长寿命的特点。半导体材料作为光源，其使用寿命可以达到几万小时甚至更长。相比之下，传统的白炽灯和
荧光灯的使用寿命较短，需要频繁更换灯泡。长寿命的特点使得半导
体照明技术在减少人力、材料和维修成本方面具有显著的优势。
此外，半导体照明技术具有快速启动和可调光的特点。半导体材
料在接通电源时可以立即亮起，并可以根据需要进行调光操作。相比
之下，传统的白炽灯和荧光灯需要一定的预热时间，启动较慢，并且
调光效果不理想。快速启动和可调光的特点使得半导体照明技术在应
急照明和创造舒适环境方面具有优势。
半导体照明技术的应用前景十分广阔。随着科技的不断进步，半
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导
体
照
明
技
术
电子能量变换成热能的过程称为俄歇过程。它是非辐射型的 复合过程。俄歇过程是在自由载流子的浓度比较高的情况下和有 晶格缺陷的情况下发生。 3、表面复合
在晶体表面，可以想象到存在着比内部还要多的缺陷，因此， 在表面引起的各种非辐射性复合的概率比晶体内部还要高。
发光二极管的发光效率、寿命、可靠性都与表面密切相关。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半
2、空穴
导
体
照
明
技
术
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一
个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与 电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 3、电子空穴对
因热激发而出现的自
由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子落入
半
导
体
照
明
技
术
第四章
半导体的激发与发光
半导体发光二极管能将电能直接转变为光能。其原理是电 能造成比热平衡时更多的电子和空穴，同时，由于复合而减
少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光
的形式放出。 本章主要介绍PN结及其特性、注入载流子的复合、异质结 构等内容。
半
导
体
照
明
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第一节 半导体PN结及其特性
二、辐射型复合， 1、直接跃迁和间接跃迁
在导带底的电子落到满带，与空穴复合时，最初的状态和最 后的状态的能量差以光的形式辐射。分为直接跃迁型和间接跃迁 型。
半
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对于直接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν ，则：
hv E1 E2
对于间接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν ，则：
hv E1 E2 K
击穿电压
I （微安） -30 -20
V(伏)
-１０
反向
-２０
-３０
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（1）电击穿（可逆） 齐纳(Zener)击穿： 较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电子拉出。产 生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。 掺杂浓度高易击穿。 雪崩击穿：
少数载流子在强电场作用下碰撞电离并产生连锁效应， 造成空间电荷区中的载流子数目剧增，使Is突然增大。
三、非辐射型复合
1、阶段地放出声子的复合 作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在 1eV以上，而声子的能量在0.06eV左右，导带的电子落入满带时, 电子的能量假如全部生成声子，则必须有20个以上的声子生成， 这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段 性地产生。
半
2、俄歇过程
未饱和共价键，则电子空 穴成对消失，称为复合。
本征激发和复合的过程
半
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（四）杂质半导体
1、N型半导体 四价的本征半导体(Si、Ge等)，掺入少量五价的杂质元素(如 P、As等)形成电子型半导体，称N型半导体。也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只
有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子 形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚
半
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作业：
1、如何高效地产生电子和空穴？
2、以什么方式复合产生高效的光辐 射？
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3、同型异质结能形成限制载流子的势垒来有效地缩短载流 子的扩散长度，从而缩短复合区。
4、异型异质结可通过改变两侧带隙能量的相对大小来提高 电子或者空穴的注入效率。
5、同型或异型异质结提供一个折射率突变，从而形成一个 光波导的界壁。 6、同型异质结可以在金属接触的表面提供一层带隙能量小 的材料，有助于制作欧姆接触。
而很容易形成自由电子。
N型半导体结构示意图
半
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在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提
供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因
此五价杂质原子也称为施主杂质。
2、P型半导体
在本征半导体中掺入三价
杂质元素(如硼[B]、铟[In] 等)形成了P型半导体，也称
)
1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
半
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第二节
一、复合的种类
注入载流子的复合
复合分为两大类，一个是伴随光的辐射的复合(辐射型复合)； 一个是不伴随光辐射的复合(非辐射型复合)。前者是由于空穴和 电子的复合以光能的形式辐射能量，即对发光二极管来说是有用 的复合，不伴随光辐射的复合对发光二极管来说是有害的复合。
为空穴型半导体。因三价杂
质原子在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电子而在
共价键中留下一个空穴。
P型半导体的结构示意图
半
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P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，三价杂质因
而也称为受主杂质。 3、N型化合物半导体 例如，化合物GaAs中掺Te(碲 )，六价的Te替代五价的As可 形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。
（２） 反向偏压 在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
I
p型 n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动， 也不利于电子向P区运动， 没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。 但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
4、P型化合物半导体
例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成 受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。
半
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二、PN结及其特性
（一）PN结的形成
N型半导体和P型半导体的结合面上
由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的 空穴向Ｎ区扩散，在交界面附近产生
P型
N型
了一个电场，称为内建场。内建场阻
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第四节
异质结构
异质结是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。 异质结分为同型（n-n或p-p）和异型（p-n）异质结两种。理 想异质结的界面是突变的，实际的异质结存在一个缓变区，虽 然很小，不足10μ m，但会改变一些异质结的特性，却不会破 坏有用性质。 理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于0.1%的）的 材料制成，在发光器件中有如下作用： 1、同型异质结可以由透明的（带隙较高）导电衬底和包含器 件的有源区的外延层构成。 2、同型异质结能够提供一个很靠近有源区的透明层，以降低 如果采用一个自由表面时的表面复合速度。起钝化作用。
式中，Kθ 为声子的能量，也就是晶格振动的热能。
注：声子就是晶格振动的简正模能量量子。
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2、通过杂质能级的复合 首先含有杂质的半导体在常温附近大部分的杂质被离子化, 在空的杂质能级上导带的电子被俘获；其次，必须使杂质的能 级俘获的电子再吸收热能，在回到导带之前和空穴复合。 3、相邻能级的复合
最后,多子的扩散和少子的漂移达
止电子和空穴进一步扩散，记作 E阻 。
到动态平衡。对于P型半导体和N型半 导体结合面，离子薄层形成的空间电 荷区称为PN结。在空间电荷区，由于 缺少多子，所以也称耗尽层。
E阻
P-N结
半
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P-N结
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2、PN结处存在电势差Uo。
电势曲线
它阻止P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；
一、半导体基础知识 （一）半导体的晶体结构
硅和锗是四价元素，在原
子最外层轨道上的四个电子
称为价电子。它们分别与周 围的四个原子的价电子形成
共价键。共价键中的价电子
为这些原子所共有，并为它 们所束缚，在空间形成排列 共价键
硅原子空间排列 及共价键结构平面示意图
有序的晶体。
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（二）本征半导体: 纯净的结构完整的半导体。
半
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PN结正偏时，呈现低电阻，
具有较大的正向扩散电流；
IF
PN结反偏时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
反 偏
由此可以得出结论：PN结具 有单向导电性。
IR
I F I R
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2、PN结的反向击穿特性
当加到PN结上 的反向电压增大到 某个数值时，反向 电流急剧增加，这 种现象称为PN结的 反向击穿。
电子能级
U0
也阻止N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。
eU 0
电子电势能曲线
半
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3、由于PN结的存在，电子的能量应考虑到势垒带来的附加 势能，使电子能带出现弯曲。
p-n结 空带
eU0
空带
施主能级
受主能级 满带
满带
半
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（二）PN结的特性
1、ＰＮ结的单向导电性 （１） 正向偏压 在ＰＮ结的P型区 接电源正极，N型 区接负极叫正向 偏压。
半
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第三节 辐射与非辐射复合之间的竞争
少数载流子既可辐射复合也可非辐射复合，二者之间的竞
争决定了发光二极管的内量子效率。
i
1 N t 0 p Et E L 1 exp N I n KT
由式可见，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中 心浅、自由电子密度越大，则内量子效率越高。
本征半导体特性：
（1）热力学温度为0K时，几乎不导电。
（2）光激发、热激发和掺入杂质可以使其导电能力增加。对
应的导电元器件分别是光敏元件、热敏元件、晶体管。
（三）半导体的导电原理
1、电子 当半导体处于热力学温度0K 时，没有自由电子。当温度升
高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱
原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。
E
p型 n型
I
E阻
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向 P区运动，形成正向电流(mＡ级)， PN结表现为小电阻。
半
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I （毫安）
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管)。
３０
正向
２０
１０
0
0.2
（伏） V 1.0
半
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（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
半
导
体
照
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3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压 能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。 在突变结的情况下：
C j C0 (1
V
V
)
1 2
在缓变结的情况下：
C j C0 (1
电子的波动函数跨越两个能级，引起电子的跃迁，这样两
个能级间的能量差以光的形式辐射出来。 4、激子复合 （1）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子—空穴对，也 是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动，而束缚
激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷等的束缚。
半
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（2）在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子和能自由 地在晶体中运动的电子外，还有处于它们中间能量的固定在格子 上的电子，这就是处于激发态的电子，随之与空穴产生空穴—电 子对，这个激子就可因扩散而转移到另一个原子上去。这个带有 能量的电子—空穴对由于复合释放出能量，以光的形式向外辐射。 （如GaP发红光、绿光）