【材料课件】第九章半导体光电子材料[1]
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半导体光电子器件ppt
光的产生
描述光子被半导体材料吸收后产生的电子跃迁和能量吸收现象。
光的吸收
光的产生与吸收
光电二极管的工作原理
重点介绍光子与半导体PN结的作用机制，以及产生的光电流和反向饱和电流的竞争关系。
激光二极管的工作原理
包括阈值条件、模态选择和调谐方法等，以及它们在光电子器件中的应用和限制。
半导体光电子器件的工作原理
具有更高的光电子器件性能，如高速、低功耗、高稳定性等。
硅基光电子器件
利用成熟的CMOS工艺，实现高速、低成本、高集成度的光电子器件。
石墨烯等二维材料
具有超高的载流子迁移率和热导率，可实现高速、低能耗的光电子器件。
01
02
03
高性能光电子器件
01
需要具备高速度、低功耗、高稳定性等特点，同时要求具有优良的热稳定性和机械强度。
半导体光电子器件在光传感领域也有着广泛的应用，如光学陀螺仪、光谱分析仪等。
光传感
03
多功能化
为了满足多样化的应用需求，半导体光电子器件正在向着多功能化的方向发展，如同时实现调制、滤波、放大等功能。
半导体光电子器件的发展趋势
01
高性能化
随着信息技术的发展，对半导体光电子器件的性能要求越来越高，如高速、低耗、稳定性等。
半导体光电子器件ppt
xx年xx月xx日
CATALOGUE
目录
介绍半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的结构与特性半导体光电子器件的制作与工艺半导体光电子器件的应用实例半导体光电子器件的发展趋势与挑战
介绍
01
半导体光电子器件的定义
指利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体光电子器件的分类
半导体光电子器件的结构与特性
描述光子被半导体材料吸收后产生的电子跃迁和能量吸收现象。
光的吸收
光的产生与吸收
光电二极管的工作原理
重点介绍光子与半导体PN结的作用机制，以及产生的光电流和反向饱和电流的竞争关系。
激光二极管的工作原理
包括阈值条件、模态选择和调谐方法等，以及它们在光电子器件中的应用和限制。
半导体光电子器件的工作原理
具有更高的光电子器件性能，如高速、低功耗、高稳定性等。
硅基光电子器件
利用成熟的CMOS工艺，实现高速、低成本、高集成度的光电子器件。
石墨烯等二维材料
具有超高的载流子迁移率和热导率，可实现高速、低能耗的光电子器件。
01
02
03
高性能光电子器件
01
需要具备高速度、低功耗、高稳定性等特点，同时要求具有优良的热稳定性和机械强度。
半导体光电子器件在光传感领域也有着广泛的应用，如光学陀螺仪、光谱分析仪等。
光传感
03
多功能化
为了满足多样化的应用需求，半导体光电子器件正在向着多功能化的方向发展，如同时实现调制、滤波、放大等功能。
半导体光电子器件的发展趋势
01
高性能化
随着信息技术的发展，对半导体光电子器件的性能要求越来越高，如高速、低耗、稳定性等。
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介绍半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的结构与特性半导体光电子器件的制作与工艺半导体光电子器件的应用实例半导体光电子器件的发展趋势与挑战
介绍
01
半导体光电子器件的定义
指利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体光电子器件的分类
半导体光电子器件的结构与特性
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
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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。
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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。
半导体光电子器件ppt
在没有任何外部作用时，半导体中的载流子分布达到动态平衡，此时的状态称为热平衡态 。
光电子器件的基本原理
光的吸收
当光照射到物质表面时，物质 可以吸收光能，并将其转化为
热能或电能。
光的发射
在某些条件下，物质可以自发地 或在外加能量作用下发射光。
光电子发射
当光照射到物质表面并被吸收时， 物质会释放出光电子，这些光电子 可以通过电场或磁场进行收集和检 测。
包括暗电流、响应时间、噪声等参数。
半导体光电子器件与其他光电子器件的比较
半导体光电子器件与同质结光电子器件的比较
同质结光电子器件是一种结构简单、易于制造的光电子器件，但半导体光电子器件具有更高的光电转换效率和 更宽的光谱响应范围。
半导体光电子器件与异质结光电子器件的比较
异质结光电子器件具有更高的光电转换效率，但制造工艺复杂，成本较高。
03
通过精确调控半导体材料和器件的物理性质，实现更灵活、更
智能的光信号处理和传输。
02
半导体光电子器件的基本原理
半导体的基本性质
能带结构
半导体具有能带结构，即导带、价带和禁带，其禁带宽度在室温下一般为几电子伏特。
载流子
半导体中导电的载流子包括电子和空穴，其浓度和分布受能带结构和杂质浓度等影响。
热平衡态
传感领域的应用
环境监测
半导体光电子器件可实现对环境中特定气体、温度、湿度等参 数的精确测量。
生物传感
半导体光电子器件可用于检测生物分子、细胞等，实现生物传 感。
光学成像
半导体光电子器件可用于实现高分辨率、高灵敏度的光学成像 。
其他领域的应用
能源领域
半导体光电子器件可实现太阳能电池的光电转换效率的 提高。
光电子器件的基本原理
光的吸收
当光照射到物质表面时，物质 可以吸收光能，并将其转化为
热能或电能。
光的发射
在某些条件下，物质可以自发地 或在外加能量作用下发射光。
光电子发射
当光照射到物质表面并被吸收时， 物质会释放出光电子，这些光电子 可以通过电场或磁场进行收集和检 测。
包括暗电流、响应时间、噪声等参数。
半导体光电子器件与其他光电子器件的比较
半导体光电子器件与同质结光电子器件的比较
同质结光电子器件是一种结构简单、易于制造的光电子器件，但半导体光电子器件具有更高的光电转换效率和 更宽的光谱响应范围。
半导体光电子器件与异质结光电子器件的比较
异质结光电子器件具有更高的光电转换效率，但制造工艺复杂，成本较高。
03
通过精确调控半导体材料和器件的物理性质，实现更灵活、更
智能的光信号处理和传输。
02
半导体光电子器件的基本原理
半导体的基本性质
能带结构
半导体具有能带结构，即导带、价带和禁带，其禁带宽度在室温下一般为几电子伏特。
载流子
半导体中导电的载流子包括电子和空穴，其浓度和分布受能带结构和杂质浓度等影响。
热平衡态
传感领域的应用
环境监测
半导体光电子器件可实现对环境中特定气体、温度、湿度等参 数的精确测量。
生物传感
半导体光电子器件可用于检测生物分子、细胞等，实现生物传 感。
光学成像
半导体光电子器件可用于实现高分辨率、高灵敏度的光学成像 。
其他领域的应用
能源领域
半导体光电子器件可实现太阳能电池的光电转换效率的 提高。
半导体光电子PPT课件
2 2
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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
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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。
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【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
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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
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矢势 A
Ar,t A0exp ik r t c.c.
满足矢势的方程
k
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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
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《半导体材料》课件
N型半导体
通过向半导体中掺入五价杂质，可以形成具有负 电荷的N型半导体。
PN结
PN结是由P型和N型半导体材料结合而成的结构， 具有重要的电子器件应用。
二极管
二极管是一种基本的半导体器件。它具有只允许 单向电流通过的特性。
4. 高级半导体器件
M Oபைடு நூலகம்FET
MOSFET是一种基于半导体材料 的重要集成电路组件，广泛应用 于电子设备中。
光电二极管
光电二极管是一种半导体器件， 可以将光能转换为电能，广泛用 于通信和光电领域。
激光二极管
激光二极管是利用半导体材料产 生激光的器件，应用于激光打印 机、激光通信等领域。
5. 应用领域
计算机芯片
半导体材料是计算机 芯片制造的基础，推 动了电子产品的快速 发展。
通信设备
半导体器件在无线通 信、移动通信等领域 中发挥着重要的作用。
光电子器件
光电子器件利用半导 体材料的特性，实现 光信号的检测和处理。
新能源领域
半导体材料在太阳能 电池、燃料电池等新 能源领域有着广泛的 应用。
6. 总结
半导体材料具有独特的电性能和广泛的应用。通过了解半导体的基本概念和器件原理，我们可以更好地理解现 代电子技术的发展和应用。期待未来半导体材料的更多突破和创新！
2. 基本概念
1 价带和导带
半导体中的价带和导带决定了电子的能量状态和传导性质。
2 禁带宽度
禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，影响了半导体的导电性。
3 掺杂
通过掺杂杂质，可以改变半导体的导电性能，使其成为P型或N型半导体。
3. 掺杂与半导体器件
P型半导体
通过向半导体中掺入三价杂质，可以形成具有正 电荷的P型半导体。
《半导体光电子学》课件
原理
通过受激辐射产生的一束相干光，实现信息传输或 高精度切割。
应用
医疗、通信、材料加工、激光雷达和光谱学等领域 的关键技术。
光通信中的半导体器件
1 光纤收发模块
将电信号转换为光信号并 通过光纤传输，实现远距 离高速通信。
2 光开关
通过控制光信号的传输路 径和光的开关，实现网络 的快速切换和重构。
3 光放大器
应用
住宅和商业建筑的能源供应、太阳能车、太空探索 和户外充电等。
形成了半导体器件的基础， 如二极管和太阳能电池。
了解能带之间的能级间隙 和激子的形成，有助于设 计电子器件。
LED （发光二极管）工作原理及其应用
原理
通过注入P型和N型半导体内的载流子复合释放出能 量，产生可见光。
应用
照明、显示屏、指示灯和满足复杂颜色需求的装饰 等各行各业。
激光器工作原理及其应用
III-V族化合物
在高频率、高功率和高温环境下表现出色，常 用于雷达和通信系统。
镓化物
优良的光电特性，广泛应用于激光器、LED等器 件。
有机半导体
灵活的分子结构，使其适用于柔性显示和光电 传感器等领域。
光电子物理基础知识
1 能带理论
描述了半导体中电子能级 的分布和载流子运动的机 制。
2 PN结
3 半导体能级
放大光信号强度，以确保 信号在传输过程中不衰减。
光电探测器及其应用
1
光电二极管
将光能转换为电能，并常用ห้องสมุดไป่ตู้光电信号检测与光通信系统。
2
光电倍增管（PMT）
高增益和灵敏度使其适用于低能光子探测和高精度测量。
3
光电二极管阵列
在光谱测量、光学成像和医学诊断方面有广泛应用。
《半导体》课件1(29页)(沪科版九年级)
一、材料的导电性
1.材料按导电性能可分为导体、半导体和绝 缘体三大类。
按导电性能 划分材料
分类 导体 半导体 绝缘体
定义
典型材料
特点和用途
容易导电 的材料
金、银、铜、铝、 铁等金属材料。各种酸、 碱、盐水溶液，人体、 石墨、大地等也是导体
电阻小，电 流容易通过。 用作导线。
导电性能介 于导体与绝 缘体之间的 材料
硅、锗、 砷化镓等
具有一些特殊 的物理性质。 制造半导体元 件。
不容易导 玻璃、橡胶、陶 电的材料 瓷等非金属材料
电阻很大，电流 几乎不能通过。 用作隔离带电体。
一、材料的导电性
2.材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决 定的。
从原子结构分析。
导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极 易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外 电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂 移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。
利用这种半导体可以做成体积很 小的光敏电阻。没有光照射时， 光敏电阻就像绝缘体那样不容易 导电；有光照射时，光敏电阻又 像导体那样导电。一般光敏电阻 的电阻值，不受光照射时是受光 照射时的100～1 000倍。
因此，光敏电阻被广泛应用到光 照反应灵敏的许多自动控制设备 中。如光控门。楼道灯一般用的 是光控和声控结合的声光控开关。
二、半导体元件
⑷半导体元件的压敏特性
有的半导体，在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”) 利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成
电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化。 可见，半导体的导电性能可由外界条件所控制，常见特性如下表：
1.材料按导电性能可分为导体、半导体和绝 缘体三大类。
按导电性能 划分材料
分类 导体 半导体 绝缘体
定义
典型材料
特点和用途
容易导电 的材料
金、银、铜、铝、 铁等金属材料。各种酸、 碱、盐水溶液，人体、 石墨、大地等也是导体
电阻小，电 流容易通过。 用作导线。
导电性能介 于导体与绝 缘体之间的 材料
硅、锗、 砷化镓等
具有一些特殊 的物理性质。 制造半导体元 件。
不容易导 玻璃、橡胶、陶 电的材料 瓷等非金属材料
电阻很大，电流 几乎不能通过。 用作隔离带电体。
一、材料的导电性
2.材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决 定的。
从原子结构分析。
导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极 易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外 电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂 移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。
利用这种半导体可以做成体积很 小的光敏电阻。没有光照射时， 光敏电阻就像绝缘体那样不容易 导电；有光照射时，光敏电阻又 像导体那样导电。一般光敏电阻 的电阻值，不受光照射时是受光 照射时的100～1 000倍。
因此，光敏电阻被广泛应用到光 照反应灵敏的许多自动控制设备 中。如光控门。楼道灯一般用的 是光控和声控结合的声光控开关。
二、半导体元件
⑷半导体元件的压敏特性
有的半导体，在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”) 利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成
电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化。 可见，半导体的导电性能可由外界条件所控制，常见特性如下表：
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n 1962年，GaAs激光二极管的问世，作为半 导体光电子学的开端。
n 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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
产生激光的条件
n 1. 形成粒子数反转，使受激辐射占优势 n 2. 具有共振腔以实现光量子放大 n 3. 外界输入能量至少要达到阈值，使激光管
常用的电致发光粉末材料
n ZnS:Mn,Cu----发黄光 n ZnS:Ag----发蓝光 n ZnS:Cd,Ag----发红、绿光
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
2）薄膜发光材料
n 薄膜发光材料发光机理和粉末材料基本相 同
n 但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光 亮度也较高
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
常用薄膜电致发光材料
n ZnS:Mn----发黄光 n ZnS:Tb----发绿光 n ZnS:Mn-----发蓝光
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2.3 阴极射线发光材料
n 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
n 它的光电转换是通过其中的荧光屏来实现的； n 所用蓝粉和绿粉以ZnS为主
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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）
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
高亮度白光LED的实现
通过红、绿、蓝三种 LED组合成为白光
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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
Ge： Eg＝0.67 eV GaP：Eg＝2.25 eV GaN：Eg＝3.4 eV
再见，see you again
2020/10/30
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.3 太阳能电池材料
n Si电池材料 n 化合物半导体材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.3.1 Si电池材料
n 单晶Si电池 n 多晶硅电池
n 带状硅电池
n 薄膜硅电池材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
演讲完毕，谢谢听讲!
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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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。
【材料课件】第九章半 导体光电子材料
2020/10/30
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
n 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
n 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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.1 半导体激光材料
高容量蓝光DVD、激光打 印和显示、军事领域等
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
LED照明的优点
n 发光效率高，节省能源 n 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的
1/2。 n 绿色环保 n 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少 n 寿命长 n 寿命可达10万小时 n 固体光源、体积小、重量轻、方向性好 n 单个单元尺寸只有3~5mm n 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 n 低电压、小电流
n 电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发 光材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
1）粉末发光材料
n 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
n ZnS粉末，常用Cu作为激活剂；Al，Ga，In 等作为共激活剂
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
的增益至少等于损耗
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
n GaAs基 n InP基 n GaN基 n GaSb基
Байду номын сангаас
LD材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2 半导体显示材料
n 发光二极管（LED） n 电致发光显示
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2.1 发光二极管 LED
红光 绿光 蓝光
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
日亚公司1994年首创用MOCVD制 备了GaN LED
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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。
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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2.2 电致发光材料
n 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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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
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
到2007年 30%的白炽灯 被置换为半导体照明灯
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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
n 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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
产生激光的条件
n 1. 形成粒子数反转，使受激辐射占优势 n 2. 具有共振腔以实现光量子放大 n 3. 外界输入能量至少要达到阈值，使激光管
常用的电致发光粉末材料
n ZnS:Mn,Cu----发黄光 n ZnS:Ag----发蓝光 n ZnS:Cd,Ag----发红、绿光
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2）薄膜发光材料
n 薄膜发光材料发光机理和粉末材料基本相 同
n 但薄膜材料可以在高频电压下工作，发光 亮度也较高
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
常用薄膜电致发光材料
n ZnS:Mn----发黄光 n ZnS:Tb----发绿光 n ZnS:Mn-----发蓝光
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8.2.3 阴极射线发光材料
n 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
n 它的光电转换是通过其中的荧光屏来实现的； n 所用蓝粉和绿粉以ZnS为主
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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）
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高亮度白光LED的实现
通过红、绿、蓝三种 LED组合成为白光
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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
Ge： Eg＝0.67 eV GaP：Eg＝2.25 eV GaN：Eg＝3.4 eV
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8.3 太阳能电池材料
n Si电池材料 n 化合物半导体材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.3.1 Si电池材料
n 单晶Si电池 n 多晶硅电池
n 带状硅电池
n 薄膜硅电池材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
演讲完毕，谢谢听讲!
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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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。
【材料课件】第九章半 导体光电子材料
2020/10/30
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
n 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
n 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
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.1 半导体激光材料
高容量蓝光DVD、激光打 印和显示、军事领域等
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
LED照明的优点
n 发光效率高，节省能源 n 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%，荧光灯的
1/2。 n 绿色环保 n 冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少 n 寿命长 n 寿命可达10万小时 n 固体光源、体积小、重量轻、方向性好 n 单个单元尺寸只有3~5mm n 响应速度快，并可以耐各种恶劣条件 n 低电压、小电流
n 电致发光材料分为粉末发光材料和薄膜发 光材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
1）粉末发光材料
n 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
n ZnS粉末，常用Cu作为激活剂；Al，Ga，In 等作为共激活剂
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
的增益至少等于损耗
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
n GaAs基 n InP基 n GaN基 n GaSb基
Байду номын сангаас
LD材料
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2 半导体显示材料
n 发光二极管（LED） n 电致发光显示
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2.1 发光二极管 LED
红光 绿光 蓝光
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
日亚公司1994年首创用MOCVD制 备了GaN LED
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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。
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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
8.2.2 电致发光材料
n 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。
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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
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
到2007年 30%的白炽灯 被置换为半导体照明灯
【材料课件】第九章半导体光电子材 料[1]
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