2发光材料与器件基础
2-OLED基础知识-2-器件物理
Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers by M. Pope and C.E. Swenberg
Frenkel 激子：电子和空穴束缚在一 个分子上，相互作用较强，电子和空 穴作为一个整体在有机半导体内移 动，电子空穴距离1nm，束缚能1eV。 Wannier激子：电子和空穴间的距离远大 于两个分子之间的间距，束缚能小，电 子和空穴容易分离，很不稳定，电子空 穴距离10nm，束缚能10meV 。 Charge transfer (CT)激子：半径约为 分子大小的几倍，束缚能较大，可以作 为一个整体运动，也可以被限制在陷阱
低电压、厚膜，欧姆传导：
电压上升（没有陷阱的情况）：
适用于理想绝缘体即无陷阱的有机系统
体限制---陷阱限制电流
Trapped-charge-limited current (TCLC)
陷阱：拥有比母体更容易接受 电子或空穴的能级的位置
电压升高，注入电子密度增加，电子准费米能级移向LUMO能 级。准费米能级以下的陷阱被填满，空陷阱的密度减小，电 子有效迁移率升高。
注入限制电流
隧穿模型（Fowler-Nordheim tunneling model ） 热电子发射模型（Thermionic emission model）
热电子发射模型
电子和空穴必须拥有足够的热能，克服了电子与有 机层的势垒，才能注入到有机层。
隧穿模型 （Fowler-Nordheim tunneling model ）
ITO/TPD/Alq3(Gaq3,Inq3)/MgAg
JAP 79（1996）7991
发光层厚度的影响
载流子的迁移
迁移率定义：单位电场强度下,载流子 的平均漂移速度，单位：cm2.V-1.S-1
发光二极管的原料
发光二极管的原料发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体器件，具有发光功能。
它是由特定的原料制成的，这些原料是实现LED发光的关键因素。
本文将介绍LED的原料及其特性。
一、发光材料1. 发光材料：LED的发光材料是由特定的化合物构成的，常见的材料包括氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（InGaP）等。
不同的发光材料具有不同的发光特性，可发出不同颜色的光，如红色、绿色、蓝色、黄色等。
二、衬底材料1. 蓝宝石衬底：蓝宝石是制造LED最常用的衬底材料之一。
它具有良好的热传导性能和电绝缘性能，可有效降低LED的发热量，并提高LED的光电转换效率。
2. 碳化硅衬底：碳化硅是一种新型的衬底材料，具有优异的热传导性能和电绝缘性能。
与蓝宝石相比，碳化硅衬底能够更好地降低LED的发热量，提高LED的工作稳定性和寿命。
三、导电材料1. 金属材料：LED中的电极需要使用导电材料，常见的金属材料有银、铜、铝等。
这些金属材料具有较低的电阻率和良好的导电性能，可确保电流流过LED时的高效能转换。
2. 透明导电材料：LED的透明电极通常采用透明导电材料，如氧化锡（ITO）薄膜。
透明导电材料能够保持LED的发光效果，并提高LED的光电转换效率。
四、封装材料1. 玻璃封装：LED的封装材料常用玻璃，具有良好的光透过性和耐高温性能，能够保护LED芯片，并提供良好的光学性能。
2. 塑料封装：除了玻璃封装外，LED还常用塑料封装材料。
塑料封装具有成本低、可塑性好等优点，能够满足不同应用场景对LED封装的需求。
五、其他辅助材料1. 焊料：LED的制造过程中需要使用焊料进行电极的连接。
常见的焊料有锡铅焊料、无铅焊料等，能够确保电极与导线的可靠连接。
2. 胶水：胶水在LED制造中常用于封装和固定LED芯片。
它能够提供良好的粘结性能，确保LED的稳定性和可靠性。
发光二极管的原料包括发光材料、衬底材料、导电材料、封装材料以及其他辅助材料。
发光材料及物理基础-2
反射谱与吸收谱之间的关系？
4。光激发
LOMO
Eg HOMO
激发光谱：发光的某一谱线或谱带的强度随激 发光波长（或频率）的变化。
Zn2SiO4:Mn的激发谱
吸收谱与激发谱之间的关系
1. 激发引起发光 2. 吸收能量包括发光和无辐射 3. 吸收光谱包含激发光谱
5。 光发射 发光光谱（也称发射光谱）
第四章 分子发光分析
主要介绍荧光和磷光
第一节
一、基本原理
荧光和磷光
（一）荧光和磷光的产生 荧光： 处于分子基态单重态中的电子，当 其被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道 上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃 迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重 态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的 区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较 低能级。
500 600 Wavelength(nm) 700 800
300
400
PL spectra of PCzANT copolymers
PCzANT: 488nm 成为主峰,能量转移消 除激基复合物发射
Homework:how to measure polarized luminescent light?
氙灯 ① ② PMT
样品室 光谱测试装置
6. 能量传输（转移）
发光材料吸收了激发光，就会在内部发生能量状 态的改变：有些离子被激发到较高的能量状态，或者 晶体内产生了电子空穴，等等。 电子和空穴一旦产生，就将任意移动。这样，激 发状态也就不会局限在一个地方，而将发生转移。即 使只是离子被激发，不产生自由电子，处于激发态的 离子也可以和附近的离子相互作用而将激发能量传出 去。 这就是说，原来被激发的离子回到激态，而附近 的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个地 继续下去，形成激发能量的传输。能量传输在发光现 象中占有重要的地位。 转移：在不同分子间进行能量传输
发光二极管的材料
发光二极管的材料发光二极管（LED）是一种半导体器件，其发光原理是通过半导体材料的电子跃迁而产生的。
在LED的制造过程中，材料的选择对其性能和发光效果起着至关重要的作用。
下面我们将介绍LED常用的材料及其特性。
1. Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料是LED制造中最常用的材料之一，包括氮化镓、磷化铝、砷化镓等。
这些材料具有较大的带隙能量，因此可以发射可见光甚至紫外光。
其中，氮化镓材料的发展尤为迅速，其发光效率和稳定性都得到了大幅提升。
此外，磷化铝材料也被广泛应用于LED的制造中，其发光波长覆盖了红、橙、黄等颜色。
2. Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料也是LED的重要材料之一，主要包括硫化镉、硒化锌等。
这些材料通常用于制造红外LED，其发光波长较长，适用于红外通信、遥控器等领域。
此外，硒化锌材料也可以用于制造蓝光LED，其发光效果优异。
3. 磷化物材料。
磷化物材料是一类新型的LED材料，其发光效率和稳定性均优于传统的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。
磷化物LED可以实现更高的发光效率和更广泛的发光波长范围，因此在照明、显示等领域具有广阔的应用前景。
4. 硅基LED材料。
硅基LED材料是近年来备受关注的新型材料，其制备工艺相对简单，成本较低，且可以与传统的硅基电子器件兼容。
虽然硅基LED的发光效率较低，但由于其在集成电路领域的优势，仍然具有重要的应用价值。
5. 其他材料。
除了上述几类常用的LED材料外，还有一些新型材料正在被研究和开发，如氮化铟镓、氮化铟镓锡等。
这些材料在发光效率、发光波长范围、稳定性等方面均具有优势，有望成为未来LED制造的重要材料。
总的来说，LED的材料选择对其性能和应用领域有着重要影响。
随着半导体材料科学的不断发展和进步，LED材料的种类将会更加丰富，其性能也将得到不断提升。
相信在不久的将来，LED将会在照明、显示、通信等领域发挥越来越重要的作用。
半导体发光二极管基本知识
半导体发光二极管基本知识自从60年代初期GaAsP 红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。
最早发展包括用GaAs 1-x P x 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-x P x 掺氮的红、橙、黄器件，GaP 掺氮的黄绿器件等等。
到了80年代中期出现了GaAlAs 发光二极管，由于GaAlAs 材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED 的发展达到一个新的阶段。
这些GaAlAs 发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard 公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。
由于AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED 的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。
近几年来，由于CaN 材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED 的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED 在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。
本课程将介绍LED 的基本结构、LED 主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED 制造主要工艺过程。
1. 发光二极管（Light Emitting Diode ） 的基本结构图<1>是普通LED 的基本结构图。
它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。
组成LED 的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架 和环氧树脂。
1.1 管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的PN 结。
由 不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。
即使同一种材 料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组 份，也可以得到不同的发光颜色。
下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。
LED基础知识介绍
LED基础知识介绍LED，全称为Light Emitting Diode（发光二极管），是一种半导体器件。
与传统的发光方式不同，LED通过半导体材料发出可见光，其主要原理是电导带和价带之间的电子跃迁。
一、LED的结构LED由四个基础部件组成：1.发光体：由半导体材料构成，其中有N型材料和P型材料，通过电子和空穴再复合从而发出光。
2.引线极：引线极连接发光体和外部电源，起到导电和固定作用。
3.导电板：位于引线极下方，用于分布电流和散发热量。
4.外壳：保护LED内部结构的外部壳体。
二、LED的工作原理当LED两端施加电压时，N型材料中的电子和P型材料中的空穴在P–N结附近会发生复合。
这个过程中，电子跃迁到低能级并释放出能量，即发出可见光。
根据材料的不同，LED可以发出不同的光谱，从红色到紫色。
三、LED的优点1.能效高：LED是一种高效光源，其能量转换效率高，较少能量转化为热能。
2.寿命长：LED寿命可达数万小时，远超其他照明设备。
3.响应速度快：LED瞬间响应，无需预热时间。
4.尺寸小：LED小巧轻便，方便安装和维护。
5.环保节能：LED不含汞等有害物质，使用过程中也不会排放有害气体。
四、LED的缺点1.价格较高：LED的制造成本相对较高，使得其价格相对较高。
2.色彩损失：LED在长期使用过程中，会逐渐发生光衰，颜色会发生变化。
五、LED的应用领域1.照明领域：由于其高效节能的特点，LED已经成为照明行业的主流光源。
2.显示屏：LED显示屏具有高亮度、高对比度和清晰度等优点，在舞台演出、广告宣传等领域得到广泛应用。
3.汽车照明：LED的亮度较高，可以用于汽车前照灯、尾灯和转向灯等。
4.室内装饰：LED可以制造出不同颜色和亮度的光，广泛应用于室内装饰照明中，如楼梯、墙壁和天花板的装饰等。
5.电子产品：LED在电子产品中的应用非常广泛，如电视、手机、电脑等显示屏。
总结：LED作为一种高效节能的光源，具有很多优点，如能效高、寿命长、响应速度快等。
第二章 发光材料及其特征
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高场电致发光分类
基于高场下的电致发光现象所制成的器件，根据发光物 质的形态和驱动电压波形可分为四类：
分辨率高、矩阵驱动 交流薄膜电致发光寿命长（>20000h) 可实现彩色化及全色显示 交流驱动 液晶背光源 交流粉末电致发光发光效率高（1－5） lm/W 寿命短（2500）h 直流薄膜电致发光——可靠性差 直流驱动 低压矩阵驱动 直流粉末电致发光 可实现彩色化
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电致(场致)发光材料
Electroluminescence 电致发光是由直流或交流电场作用在物质上所产生的 发光现象，电能直接转变为光能，且无热辐射产生。 电致发光机理：
1. 本征式电致发光 2. 注入式电致发光
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本征式电致发光
ITO
ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide
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电致发光的物理过程
电致发光中，只有通过一定的电场分布，引起发光材料中载流 子的速度和能量分布发生变化，才能引起碰撞激发或离化发光中 心，然后复合发光。 (a). 在电场作用下，发光层与绝缘层界面能级处束缚的电子隧穿 发射至发光层； (b). 发光层中杂质和缺陷也电离，部分电子连同隧穿电子在电场 作用下被加速； (c). 当其能量增大到足够大时，碰撞激发发光中心，从而实现发 光； (d). 电子在穿过发光层后，被另一侧的界面俘获。
3. 发光持续时间特征
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发光持续时间特征
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间<1µs的发光； 短余辉： 余辉时间1~10µs的发光； 中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光； 中余辉： 余辉时间1～100ms的发光； 长余辉： 余辉时间10-1～1s的发光； 极长余辉：余辉时间>1s的发光
发光二极管LED基础知识
LED中文名称：发光二极管英文名称：light-emitting diode;LED;发光二极管简称为LED。
是一种半导体固体发光器件。
利用固体半导体芯片作为发光材料，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、橙、黄、绿、青、蓝、紫和白色的光。
它是半导体二极管的一种，由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管；发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
它的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
当给发光二极管加上正向电压，电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
黄金导线：是99.999的纯金。
由于导电性好及延展性的关系，用作导线用。
以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和它们所发光的颜色铝砷化镓(AlGaAs)-红色及红外线铝磷化镓(AlGaP)-绿色aluminiumgalliumindiumphosphide(AlGaInP)-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色磷砷化镓(GaAsP)-红色，橘红色，黄色磷化镓(GaP)-红色，黄色，绿色氮化镓(GaN)-绿色，翠绿色，蓝色铟氮化镓(InGaN)-近紫外线，蓝绿色，蓝色碳化硅(SiC)(用作衬底)-蓝色硅(Si)(用作衬底)-蓝色(开发中)蓝宝石(Al2O3)(用作衬底)-蓝色zincselenide(ZnSe)-蓝色钻石(C)-紫外线氮化铝(AlN),aluminiumgalliumnitride(AlGaN)-波长为远至近的紫外线发光二极管种类：普通单色发光二极管普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。
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电子泵抽运造成 的 电 子 -空 穴 对
温下，这时KT不大于激子的结合能
。可能存在两种明确的衰变过程：
自由激子的衰变和束缚在杂质上的 V
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激子的衰变。
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2.2 固体光吸收的本质
D→V过程 这一过程中，松弛的束缚在中性杂质上的电子和一个价
带中的空穴复合，相应跃迁能量是Eg—ED。例如对GaAs来说，低温下的 Eg 为 1.1592ev ， 许 多 杂 质 的 ED 为 0.006ev ， 所 以 D→V 跃 迁 应 发 生 在 1.5132ev处。因此，发光光谱中在1.5132ev处出现的谱线应归属于这种
跃迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的D→V跃迁应当低于能隙很
多，这就是深施主杂质跃迁 D→V过程。
C
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电子泵抽运造成 的 电 子7.10.2020
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2.2 固体光吸收的本质
C→A过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，
并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来 说，许多受主杂质的EA为0.03ev，所以C→A过程应发生在1.49ev处。 实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它
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电信系光电工程专业
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2.2 固体光吸收的本质
我们先讨论纯净物质对光的吸收。
基础吸收或固有吸收 固体中电子的能 带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图 5.1所示，其中价带相当于阴离子的价电子 层，完全被电子填满。导带和价带之间存 在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不 能存在电子的能级。这样，在固体受到光 辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电 子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激 发，也不会发生对光的吸收。
2发光材料与器件基础
第二章 发光材料基本概念
2.1 发光材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用， 这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光 在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。基于这些性 质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料 以及各种光功能转化材料等。在本章中，我们从固体对光的吸收 的本质开始，然后介绍光电材料、发光材料和激光材料等。
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电信系光电工程专业
导带 能隙 （禁带）
价带
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2.2 固体光吸收的本质
例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的 能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射， 都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明 的波长可以由~25μm到250nm，相当于0.05~5ev的能量。当有足 够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被 激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价 带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。例如， CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为8ev ，Al2O3的基础吸收约在9ev。
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2.1 发光材料
固体发光的基本特征
(1)任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指 吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部 分。
(2)(2) 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一 段时间，称为余辉。一般10e-8为界限，短于为荧光， 长于为磷光。
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2.2 固体光吸收的本质
激子吸收 除了基础吸收以外，还有
一类吸收，其能量低于能隙宽度，它
对应于电子由价带向稍低于导带底处
导带
的的能级的跃迁有关。这些能级可以 看作是一些电子-空穴（或叫做激子
激子能级
，excition）的激发能级（图5.2）处 于这种能级上的电子，不同于被激发
应当归属于自由电子-中性受主杂质跃迁。导带电子向深受主杂质上的
跃迁，其能量小于能隙很多，这就是深受主杂质跃迁C→A过程。
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2.2 固体光吸收的本质
D→A过程 如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，
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2.1 发光材料
发光材料的定义
发光材料又称发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形式的能 量转换为非平衡光辐射的功能材料。光辐射有平衡辐射和非平衡 辐射两大类，即热辐射和发光。
任何物体只要具有一定温度，则该物体必定具有与此温度下处 于热平衡状态的辐射。
非平衡辐射是指在某种外界作用的激发下，体系偏离原来的平 衡态，如果物体在回复到平衡态的过程中，其多余的能力以光辐 射的形式释放出来，则称发光。因此发光是一种叠加在热辐射背 景上的非平衡辐射，其持续时间要超过光的振动周期。
能隙(禁带）
到导带上的电子，不显示光导电现象
，它们和价带中的空穴偶合成电子空穴对，作为整体在晶体中存在着或
价带
运动着，可以在晶体中运动一段距离
（~1μm）后再复合湮灭。
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2.2 固体光吸收的本质
缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位
，也有非本征的，如替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间
那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程，这
就是D→A过程.。发生跃迁后，施主和受主杂质都电离了，它们之间的
结合能为：
Eb=-e2/4πεKr
2.1
该过程的能量为：Eg—ED—C EA—Eb。
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电信系光电工程专业
的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，
而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的
物质由于缺陷存在而发生光吸收，图5.3给出了各种光吸收的情况。
C→V过程 在高温下发生的电子 由价带向导带的跃迁。
E→V过程 这是激子衰变过程。
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这种过程只发生在高纯半导体和低
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2.2 固体光吸收的本质