关于半导体光电子材料课件
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半导体光电材料基础-4PPT课件
：电子的亲和能
W：电子的功函数 Eg：禁带宽度
两种半导体紧密
接触时，电子
（空穴）将从
n(p)型半导体流
向p(n)型半导体，
直至费米能级相
P型
N. 型
等为止。
5
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(pn)异质结能带图（形成异质结后）
交界面两边形成空间电 荷区(x1-x2)，产生内建电 场。
EcEv0.76eV
交界面两侧半导体中的 内建电势差VD1,VD2由掺 杂浓度、空间电荷区 （势垒区）宽度和相对 . 介电常数共同决定。 8
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变反型(np) 异质结能带图
N型
P型
形成异质结前
.
N型
P型
形成异质结后 9
5.1 异质结及其能带图
异质结具有许多同质结所所不具有的特性，往往具 有更高的注入效率。
反型异质结：由导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：p-nGe-GaAs（p型Ge与n型GaAs）
同型异质结：由导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料构成。如：n-nGe-GaAs（n型Ge和n型GaAs）
异质结的能带图对其特性起着重要作用。在不考虑
导带阶 Ec 12
价带阶
E v E g 2 E g 1 1 2
E c E vE g2E g1
以上式子对所有突变异
P型
N型.
质结普适 7
5.1 异质结及其能带图
（1）不考虑界面态时的能带图 突变p-nGe-GaAs异质结能带图
n-GaAs
Ec 0.07eV
Ev 0.69eV
【材料课件】第八章 半导体电子材料
9. 可利用SOI器件制作三维集成电路
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
SOI器件与体硅器件比较，在相同的电压下 工作，SOI器件性能提高30%
在基本相同的低功耗下工作，SOI器件性能 可提高300%
SOI工艺将成为21世纪ULSI的主流技术之一
8.6.2 SOI材料的制备
注氧隔离 键合与背腐蚀 智能剥离 外延层转移
频率和功率的乘积
fTVm
EbVs
2
第一材料优值
F1 EbVs
约翰逊优值或者第一材料优值越大，材料 的功率和工作频率越高
8.1.2 凯斯优值
高频器件的尺寸受到热导率的限制，凯斯优值评价材 料在制作高速器件时适合程度的量化标准
K (Vb )2
为材料的相对介电常数
为热导率，反映了材料的热性质对晶体管开关性
F4
在同一工作频率下，器件的功耗随着优值F4 的增加而减少，工作频率越高，下降幅度 越大
对同一材料所制器件的最小功耗随着工作 频率提高而增大
F4越大，器件的功耗越低
8.1.5 热性能优值
反映了某种材料所制作的功率器件在高温 工作状态下的优值，三个热性能优值：
QF1 Eb3 QF 2 Eb4 QF3 Eb3
4. 由于有源层和衬底之间隔离，不致因辐照 在衬底中产生电子－空穴对导致电路性能 退化
5. SOI材料寄生电容小，有利于提高所致器 件的性能
6. 利用SOI材料可简化器件和电路加工过程
7. SOI材料所致的MOSFET中短沟道效应和 热载流子效应大大减弱，提高了器件的可 靠性
8. SOI器件功耗低
闩锁效应在大线宽的工艺上作用并不明显, 而线宽越小, 寄生 三极管的反应电压越低, 闩锁效应的影响就越明显。
闩锁效应被称为继电子迁移效应之后新的“CPU杀手”。防 止MOS电路设计中Latch-up效应的产生已成为IC设计界的重 道效应小、速度快、 集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点，越 来越受业界的青睐；
第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
半导体光电子器件课件
§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在光电子器件中的应用一、半导体光电子材料1.半导体光电材料特性参数2. 异质结中的晶格匹配二、半导体材料的折射率三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用一、半导体光电子材料.常见半导体材料（Si、GaAs）的能带图半导体的能带结构与晶向有关，都比较复杂，通常以能量E和波矢k的关系来表达。
Si的导带的极小值和价带的极大值不在同一k值处，因而为间接带；GaAs、InP的导带极小值和价带极大值同在相同的k=0处，这类材料为直接带隙材料。
1.半导体光电材料特性参数晶体结构、晶格常数a，热胀系数，能带类型、（单位为ev）、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度Eg介电常数ε和电子亲合势χ。
•Si间接带隙材料，金刚石结构，原胞是面心立方结构，常规电子器件和高速的集成电路材料。
Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是间接带隙等材料，其发光效率非常低，不适于做发光器件。
•GaAs、InP是直接带隙材料，闪锌矿结构。
沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来，故此面称为解理面。
Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。
在{110}面中，同时有等数量的Ga原子和As原子，因此显示出电学中性。
解理面非常平坦、光亮，有较高的反射率，解理面之间相互平行，因此两个相向平行的解理面就构成一个非常好的谐振腔。
二、半导体材料的折射率不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反，即Eg大的化合物，折射率n反而较小。
这正是设计半导体光电器件常常需要的。
Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为2091.0710.0590.3xx n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为()2059.0256.04.3yy y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。
折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能，尤其会影响激光的波长和模式。
半导体光电子器件讲解ppt
包括外延生长型、集成型、混合型等。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
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半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
《半导体光电子学课件》绪论
04
半导体光电子学的技术挑 战
材料制备与表征技术
材料纯度与缺陷控制
为了获得高性能的光电子器件，需要制备高纯度、低缺陷的材料。
晶体生长技术
晶体生长是光电子器件制造的基础，需要发展先进的晶体生长技术， 以获得大尺寸、高质量的晶体。
材料表征技术
对材料的物理、化学和光学性质进行准确测量和表征，是评估材料 质量和性能的关键。
《半导体光电子学课 件》绪论
目录
• 半导体光电子学的定义与重要性 • 半导体光电子学的发展历程 • 半导体光电子学的核心概念
目录
• 半导体光电子学的技术挑战 • 半导体光电子学的未来展望
01
半导体光电子学的定学是一门研究半导体中光与物质相互作用的科学，主要涉及光子在半 导体材料中的产生、传播和吸收等过程。
光电器件的工作原理
1
光电器件是指利用光子与电子相互作用原理制成 的器件，其工作原理主要基于半导体的光电效应。
2
光电器件可以分为光电导器件、光生伏特器件和 光电发射器件等类型，它们分别利用不同机制实 现光能与电能的转换。
3
光电器件的性能参数包括光谱响应范围、响应速 度、量子效率等，这些参数决定了器件在不同领 域的应用价值。
半导体光电子学的交叉学科研究
物理与化学
将物理和化学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以深入理解光电子现 象的本质和规律。
生物与医学
将生物和医学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以开发新型的光电子 生物传感器和医疗设备。
THANKS
感谢观看
新器件
研究新型光电器件，如光子晶体器件 、表面等离子体激元器件等，以实现 更高效、更紧凑的光电子器件。
光电器件的高效化与小型化
半导体光电子PPT课件
2 2
3/ 2
导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
第11页/共25页
【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
v
0
第5页/共25页
根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
第13页/共25页
准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
e
EdE
p
3/ 2
导带底有效状态密度，单位为： / m3
同理有
p Nv exp Ev EF / kBT
Nv
2
mhkBT
2 2
3/ 2
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【例题】计算300K时，GaAs导带底的有效状态 密度。
第12页/共25页
非平衡系统
在有载流子注入时，半导体中的电子将不是前面提到的平 衡系统。 在这种非平衡态时，电子的分布用电子准费米能级来表述。 电子在导带处于平衡态，空穴在价带处于平衡态，电子-空 穴相互之间，以及与晶格之间不发生能量交换。
第18页/共25页
【例题】对于一般的半导体。光电子器件，与电子作用的 光子的能量为1~2电子伏特。分别计算2个电子伏特能量
的光子与电子的波矢 k
第19页/共25页
通过计算可以发现，相对于电子的波矢，光子的波矢可以忽 略不计，因此电子在跃迁前后
k f ki k ph ki
在能量与波矢色散关系图中，这种跃迁就是一种垂直跃迁。 由于跃迁的这种垂直特性，我们有
A 0 0
得到关于矢势的方程
1 2A 2A 0
0
t 2
矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
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0
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根据定义式，电场与磁场则为：
F 2A0 sink r t
B 2k A0 sink r t
Poynting矢量的定义为
S F H kˆ 4k | A0 |2 sin2 k r t
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准费米能级
n
Ec
Ne
E
f
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EdE
p
《半导体光电子》课件
子的基本概念、材料、器件以及应用。探 索光电子学的发展历程和未来发展前景。
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课，您将了解光电子 学的基本概念，并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一，硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步，半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能，常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能，用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能，广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号，并能放大信号，用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据，具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束，广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理，应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课，您将了解光电子 学的基本概念，并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一，硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步，半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能，常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能，用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能，广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号，并能放大信号，用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据，具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束，广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理，应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
《半导体材料》PPT课件
• 电子能级：能量单位是电子伏特（ev）， 代表一个电子从低电势处移动到高出1V的 电势处所获得的动能。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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46
• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
• 价电子层：给定一种原子，最外部的电子 层就是价电子层，对原子的化学和物理性 质具有显著的影响。
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6
• 固体能带论：解释了固体材料中电子怎样 改变轨道能级。
• 离子：当原子失去或得到一个或多个电子 时成为离子。
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• 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时， 交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结 处于动态平衡。ＰＮ结的宽度一般为0.5um。
• PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移 运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。
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47
2.9半导体二极管的结构 1.点接触型二极管的结构
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25
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26
硅的熔点是1412℃，是一种质硬的脆性材料，变 形很容易破碎，与玻璃相似。可以抛光得像镜面 一样平整。
本征半导体： 不含任何杂质和缺陷的纯净半导体， 其纯度在99.999999%（8~10个9）。
掺杂半导体：把特定的元素引入到本征半导体中， 可提高本征半导体的导电性。
Jn qDnn J p qDpp
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39
总的电流扩散密度为：
J Jn Jp
qD nnqD pp
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40
2.6载流子的迁移率 迁移率：漂移速度与外加电场强度之间的比例常数。
v E
载流子被电场加速的同时，将与晶格格点和晶格 中的杂质碰撞产生散射，各种散射机构决定了载 流子的迁移率的大小。
介电常数：介电材料是电容器中的关键部 分。介电常数K已经成为一个重要的半导体 性能参数。
半导体光电子器件课件
§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在光电子器件中的应用一、半导体光电子材料1.半导体光电材料特性参数2. 异质结中的晶格匹配二、半导体材料的折射率三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用一、半导体光电子材料.常见半导体材料（Si、GaAs）的能带图半导体的能带结构与晶向有关，都比较复杂，通常以能量E和波矢k的关系来表达。
Si的导带的极小值和价带的极大值不在同一k值处，因而为间接带；GaAs、InP的导带极小值和价带极大值同在相同的k=0处，这类材料为直接带隙材料。
1.半导体光电材料特性参数晶体结构、晶格常数a，热胀系数，能带类型、（单位为ev）、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度Eg介电常数ε和电子亲合势χ。
•Si间接带隙材料，金刚石结构，原胞是面心立方结构，常规电子器件和高速的集成电路材料。
Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是间接带隙等材料，其发光效率非常低，不适于做发光器件。
•GaAs、InP是直接带隙材料，闪锌矿结构。
沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来，故此面称为解理面。
Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。
在{110}面中，同时有等数量的Ga原子和As原子，因此显示出电学中性。
解理面非常平坦、光亮，有较高的反射率，解理面之间相互平行，因此两个相向平行的解理面就构成一个非常好的谐振腔。
二、半导体材料的折射率不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反，即Eg大的化合物，折射率n反而较小。
这正是设计半导体光电器件常常需要的。
Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为2091.0710.0590.3xx n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为()2059.0256.04.3yy y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。
折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能，尤其会影响激光的波长和模式。
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体光电材料基础-2PPT课件
.
10
2.4.3 能带中的电子和空穴浓度
➢ 载流子浓度乘积 np：
npN cN vexp E c K T E v N cN vexp K E T g
✓ 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关，只决定 于带隙和温度，与所含杂质无关。
✓ 对于一定的半导体材料，在一定温度下，乘积np 是定值。
✓ 适用于热平衡状态下的本征半导体和杂质半导体。
✓ 外加电场不太强时，漂移电流满足欧姆定律 j=E， 为电导率。
✓ 电子电导率n=nqn——N型半导体（n>>p） ✓ 空穴电导率p=pqp ——P型半导体（p>>n） ✓ 半导体的电导率=q(nn+pp)
.
27
2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流
➢ 扩散运动：当半导体中出现不均匀的载流子分布 时，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运 动，产生的电流称为扩散电流。
jnn qnE q D n n jpp qpE q D p p
➢ 总电流密度： j jn jp
对于分析器件在低电场状态下的工作情形
非常重要。然而在很高的电场状态下，电子和空
穴的漂移速度应该以饱. 和速度替代。
29
2.半导体物理基础
2.1 孤立原子中电子的运动状态 2.2 半导体中电子的运动状态和能带 2.3 杂质和缺陷能级 2.4 载流子的统计分布 2.5 半导体的导电性 2.6 非平衡载流子
级之下。受主浓度越高，费米能级越靠近价带顶。
温度升高，费米能级. 逐渐远离价带顶。
18
2.4.5 杂质半导体的载流子浓度
➢ 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质。
✓ 由于施主能级上的电子首先要填充受主能级，使 施主向导带提供电子和受主向价带提供空穴的能 力减弱。
《半导体材料》课件
解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
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目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
《光电子材料与器件》第2章：半导体发光材料及器件-LD培训课件
LD结构复杂，价格昂贵； LD的P-I特性曲线线性范围小，调制时动态
范围小。
随着激光器功率的不 断提高，激光器内部 发热量的不断增加， 要求提高散热效率、 降低单位面积发热功 率，在这种情况下就 产生面发射激光器。
分布反馈激光二极管
7、激光二极管阵列： 单个激光二极管管芯尺寸很小，腔
长几百微米，厚度几十微米，宽度几 十微米。输出功率一般几十mW.
大功率的半导体激光器使用多个二 极管排列成阵列，功率可以达到几十、 几百W。
半导体激光器的工作原理 •F-P腔：平行平面腔，它由两块平 行平面反射镜组成。又称为法布里珀罗干涉仪，简记为F-P腔。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器是用PN结作激活区， 用半导体天然解里面作为反射镜组成 谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
外加正向偏压将N区的电子、P区的 空穴注入到PN结，实现了粒子数反转 分布.
LD的结构：
半导体激光器的工作原理
简并型半导体、费米 能级与PN结
简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开 始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质 的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导 体。
半导体激光器的工作原理
简并参杂半导体pn结的能带结构图
半导体激光器的工作原理
粒子数反转： 当加在PN结上的正向电压超过 某一值（eV>Eg）后，PN结的 某段区域中导带底的电子数大 于价带顶电子数，出现粒子数 反转。该区域称为增益区(有源 区) 。
导带电子优先占据能量低的能级； 价带电子优先占据能量低的能级，等同于价 带空穴优先占据能量高的能级。
半导体激光器的特点
缺点: 激光性能受温度影响大； 光束的发散角较大(一般在几度到20
范围小。
随着激光器功率的不 断提高，激光器内部 发热量的不断增加， 要求提高散热效率、 降低单位面积发热功 率，在这种情况下就 产生面发射激光器。
分布反馈激光二极管
7、激光二极管阵列： 单个激光二极管管芯尺寸很小，腔
长几百微米，厚度几十微米，宽度几 十微米。输出功率一般几十mW.
大功率的半导体激光器使用多个二 极管排列成阵列，功率可以达到几十、 几百W。
半导体激光器的工作原理 •F-P腔：平行平面腔，它由两块平 行平面反射镜组成。又称为法布里珀罗干涉仪，简记为F-P腔。
半导体激光器的工作原理
半导体激光器是用PN结作激活区， 用半导体天然解里面作为反射镜组成 谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
外加正向偏压将N区的电子、P区的 空穴注入到PN结，实现了粒子数反转 分布.
LD的结构：
半导体激光器的工作原理
简并型半导体、费米 能级与PN结
简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，载流子开 始简并化的现象称为重掺杂（施主杂质或是受主杂质 的浓度很大），即费米能级进入了价带或导带的半导 体。
半导体激光器的工作原理
简并参杂半导体pn结的能带结构图
半导体激光器的工作原理
粒子数反转： 当加在PN结上的正向电压超过 某一值（eV>Eg）后，PN结的 某段区域中导带底的电子数大 于价带顶电子数，出现粒子数 反转。该区域称为增益区(有源 区) 。
导带电子优先占据能量低的能级； 价带电子优先占据能量低的能级，等同于价 带空穴优先占据能量高的能级。
半导体激光器的特点
缺点: 激光性能受温度影响大； 光束的发散角较大(一般在几度到20
《半导体光电子学课件》2.2手推版
新型封装材料。
可靠性测试
通过加强可靠性测试和寿命评估， 确保光电子器件在实际应用中的
稳定性和可靠性。
降低光电子器件的成本与能耗
01
02
03
成本控制
通过优化制造工艺和降低 材料成本，实现光电子器 件的低成本化生产。
能耗降低
通过优化电路设计和采用 低功耗技术，降低光电子 器件的能耗，提高能源利 用效率。
详细描述
PD由一个光敏表面和一个电极组成，当光照射到光敏表面时，光子与表面原子相互作用产生电子-空穴对，形成 光生电流。PD在探测、测量、通信等领域有广泛应用。
其他光电子器件
总结词
除了LED、LD和PD外，还有许多 其他类型的光电子器件，如光电 晶体管、光电倍增管等。
详细描述
这些器件在功能和应用上有所不 同，但基本原理相似，都是利用 光与半导体的相互作用实现光能 与电能的转换。
信息通信
光电子器件在光纤通信、网络设 备和数据中心等领域具有广泛应 用，如光调制器、光放大器、光
探测器等。
能源与环境
光电子器件在太阳能光伏发电、激 光雷达和环境监测等领域也有重要 应用，如太阳能电池、激光器等。
医疗与生物技术
光电子器件在医疗诊断和治疗、生 物检测和成像等领域具有广泛的应 用前景，如光学显微镜、光谱仪等。
感谢观看
半导体的能带结构
总结词
半导体的能带结构由价带、导带和禁带组成，其能带结构决定了半导体的导电特性和光 学特性。
详细描述
价带是半导体内电子占据的能量范围，导带是电子未被占据的能量范围，禁带宽度则是 指价带顶到导带底的能量间隔。半导体的导电能力取决于禁带宽度的大小，禁带宽度越 大，电子跃迁到导带所需的能量越高，电阻率越大。同时，半导体的光学特性也与其能
可靠性测试
通过加强可靠性测试和寿命评估， 确保光电子器件在实际应用中的
稳定性和可靠性。
降低光电子器件的成本与能耗
01
02
03
成本控制
通过优化制造工艺和降低 材料成本，实现光电子器 件的低成本化生产。
能耗降低
通过优化电路设计和采用 低功耗技术，降低光电子 器件的能耗，提高能源利 用效率。
详细描述
PD由一个光敏表面和一个电极组成，当光照射到光敏表面时，光子与表面原子相互作用产生电子-空穴对，形成 光生电流。PD在探测、测量、通信等领域有广泛应用。
其他光电子器件
总结词
除了LED、LD和PD外，还有许多 其他类型的光电子器件，如光电 晶体管、光电倍增管等。
详细描述
这些器件在功能和应用上有所不 同，但基本原理相似，都是利用 光与半导体的相互作用实现光能 与电能的转换。
信息通信
光电子器件在光纤通信、网络设 备和数据中心等领域具有广泛应 用，如光调制器、光放大器、光
探测器等。
能源与环境
光电子器件在太阳能光伏发电、激 光雷达和环境监测等领域也有重要 应用，如太阳能电池、激光器等。
医疗与生物技术
光电子器件在医疗诊断和治疗、生 物检测和成像等领域具有广泛的应 用前景，如光学显微镜、光谱仪等。
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半导体的能带结构
总结词
半导体的能带结构由价带、导带和禁带组成，其能带结构决定了半导体的导电特性和光 学特性。
详细描述
价带是半导体内电子占据的能量范围，导带是电子未被占据的能量范围，禁带宽度则是 指价带顶到导带底的能量间隔。半导体的导电能力取决于禁带宽度的大小，禁带宽度越 大，电子跃迁到导带所需的能量越高，电阻率越大。同时，半导体的光学特性也与其能
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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
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
基于紫外光LED，通 过三基色粉，组合成 为白光
基于蓝光LED，通过 黄色荧光粉激发出黄 光，组合成为白光
Eg
h
h
Ge： Eg＝0.67 eV GaP：Eg＝2.25 eV GaN：Eg＝3.4 eV
红光 绿光 蓝光
日亚公司1994年首创用MOCVD制 备了GaN LED
市场分布分析
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。
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
GaAs基 InP基 GaN基 GaSb基
LD材料
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
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
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
8.3.1 Si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
关于半导体光电子材 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
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
2003年全球GaN基LED芯片产量
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。
发光二极管Light-Emitting Diode 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
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 日本
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
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 节省110亿度电，约合
被白光LED取代
1座核电厂发电量。
美国半导体照明计划
日本21世纪照明计划
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
投入资金50亿日元
中国专家的呼吁
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）
高亮度白光LED的实现
通过红、绿、蓝三种 LED组合成为白光
2.2020