半导体照明技术复习资料
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半导体照明技术(第十讲)
一个刺到相应的位置上。
手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同 的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。
半
（6）自动装架
导
体
照
明
技
术
自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤：
先在LED支架上点上银胶（绝缘胶）， 然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置， 再安置在相应的支架位置上。
自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的
沾胶及安装精度进行调整。 在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面 的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤 芯片表面的电流扩散层。
半
（7）烧结
导
体
照
明
技
术
烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防
止批次性不良。
式中RT为两点间的热阻， T 为两点间的温度差，PD为两点 间的热功率流。热阻单位为°C/W或K/W
半
2、结构层热阻
导
体
照
明
技
术
结构层热阻RT正比于层的厚度L，反比于材料的热导率λ 和 层的面积S：
RT
3、扩展热阻
L S
当一热流通过一小面积进入无限固体中时，所产生的热阻 称为扩散热阻。
它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触面积 和形状有关。面积一定时，细长形接触的扩展热阻低于方形， 环形的小于椭圆形的，更小于圆形的。
引脚式封装；
平面式封装； 表面贴装式SMD LED； 食人鱼Piranha LED。
半
导
体
照
明
技
术
三、引脚式封装
（一）引脚式封装结构 LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见 的是直径为5mm的圆柱型（简称Φ 5mm）封装。
半导体照明技术(第九讲)
1、白光LED的发明
白光LED 于1998年开发成功。这种LED是将GaN芯片 和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光
（λp=465nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受
此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基 片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约
此荧光粉便产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原
理将互补的黄光、蓝光予以混合，得到白光。白光LED开发基 础在于蓝光技术，目前在蓝光LED技术方面仍以日亚化学领先， 拥有众多专利权。 第二种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的白光LED， 不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现供 不应由求现象。
半
导
体
照
明
技
术
第十一章
白光发光二极管
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 研制
白光发光二极管是半导体照明的主要目标，替代白炽灯、 荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。
半 第一节
导
体
照
明
技
术
新世纪光源的研制目标
人们对新世纪光源的要求是高效、高显色性和环保。照明用
白光LED的具体技术要求如下：
1、发光效率：要求最终达到200lm/W以上。 2、显色指数：希望达到100，一般要求也在80以上。 3、色温：2500-6000K之间。 4、寿命：5万-10万小时。
5、光通量：希望达到1Klm以上。
6、环保：要求不使用对人体有害、会污染环境的有害物质，如 汞、铅、镉等。
半
导
体
照
明
技
术
二、白光LED概述
半
导
白光LED 于1998年开发成功。这种LED是将GaN芯片 和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光
（λp=465nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受
此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基 片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约
此荧光粉便产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原
理将互补的黄光、蓝光予以混合，得到白光。白光LED开发基 础在于蓝光技术，目前在蓝光LED技术方面仍以日亚化学领先， 拥有众多专利权。 第二种是日本住友电工开发出以ZnSe为材料的白光LED， 不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现供 不应由求现象。
半
导
体
照
明
技
术
第十一章
白光发光二极管
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 研制
白光发光二极管是半导体照明的主要目标，替代白炽灯、 荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。
半 第一节
导
体
照
明
技
术
新世纪光源的研制目标
人们对新世纪光源的要求是高效、高显色性和环保。照明用
白光LED的具体技术要求如下：
1、发光效率：要求最终达到200lm/W以上。 2、显色指数：希望达到100，一般要求也在80以上。 3、色温：2500-6000K之间。 4、寿命：5万-10万小时。
5、光通量：希望达到1Klm以上。
6、环保：要求不使用对人体有害、会污染环境的有害物质，如 汞、铅、镉等。
半
导
体
照
明
技
术
二、白光LED概述
半
导
半导体照明技术(第一章)
产业化基地之一（大连、上海、南昌和厦门 ），已经成为中国
大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。 厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、
联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产 芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有 与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各 种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。
半导体照明技术
半导体照明技术
参考书目： 1、谢秀颖.郭宏祥，《电气照明技术》第二版， 中国电力 出版社，2007年11月 2、王晓东，《电气照明技术》，机械工业出版社，2004 年1月 3、陈元灯.李元密，《LED制造技术与应用》，电子工业 出版社，2007年7月 4、刘木清.周小丽，《照明自动控制技术》，机械工业出 版社，2007年8月
水立方景观照明
半导体照明技术
鸟巢景观照明
半导体照明技术
篔筜湖畔的LED照明
半导体照明技术
中山路商业街的LED照明
半导体照明技术
位于湖滨北路的中闽大厦
半导体照明技术
5、测试仪器和生产设备
测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧 光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方 面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。
半导体照明技术
半导体照明概述
一、半导体照明
半导体照明是指用全固态发光 器件（发光二极管，即LED，是由 半导体材料制成的光电器件，可将 电能直接转换为光能）作为光源的 照明，具有高效、节能、环保、寿 命长、易维护等显著特点，是近年 来全球最具发展前景的高新技术领 域之一，是人类照明史上继白炽灯、 荧光灯之后的又一场照明光源的革 命。
2014年厦门光电产业实现总产值1218亿元，占厦门工业总产 值20%左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光 电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数 量300多家。其中光电高新技术企业120家，实现产值657.6亿元， 占光电产业总产值的54%，成为推动我市光电产业转型升级的中 坚力量。
大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。 厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、
联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产 芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有 与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各 种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。
半导体照明技术
半导体照明技术
参考书目： 1、谢秀颖.郭宏祥，《电气照明技术》第二版， 中国电力 出版社，2007年11月 2、王晓东，《电气照明技术》，机械工业出版社，2004 年1月 3、陈元灯.李元密，《LED制造技术与应用》，电子工业 出版社，2007年7月 4、刘木清.周小丽，《照明自动控制技术》，机械工业出 版社，2007年8月
水立方景观照明
半导体照明技术
鸟巢景观照明
半导体照明技术
篔筜湖畔的LED照明
半导体照明技术
中山路商业街的LED照明
半导体照明技术
位于湖滨北路的中闽大厦
半导体照明技术
5、测试仪器和生产设备
测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧 光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方 面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。
半导体照明技术
半导体照明概述
一、半导体照明
半导体照明是指用全固态发光 器件（发光二极管，即LED，是由 半导体材料制成的光电器件，可将 电能直接转换为光能）作为光源的 照明，具有高效、节能、环保、寿 命长、易维护等显著特点，是近年 来全球最具发展前景的高新技术领 域之一，是人类照明史上继白炽灯、 荧光灯之后的又一场照明光源的革 命。
2014年厦门光电产业实现总产值1218亿元，占厦门工业总产 值20%左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光 电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数 量300多家。其中光电高新技术企业120家，实现产值657.6亿元， 占光电产业总产值的54%，成为推动我市光电产业转型升级的中 坚力量。
半导体照明职业资格考试光学方向—上机复习
半导体照明职业资格考试光学方向—上机复习题一、1）利用TRACEPRO 设计一个”单透镜”a)单透镜中心位于（0,0,0）位置b)透镜参数：以半径为单位c)透镜中心厚度为4.5mm，d)透镜材料为肖特玻璃(SCHOTT)，牌号为K10e)第一个面半径为59.46f)第二个面半径为-47.33g)半孔径：10g)”光源”参数设置：i. 光源大小为半径为10mm的圆形发光面，出射平行光ii．中心位置（0，-50,0）,（0, 0,-50）iii．光源形式：光通量1watts 总光线数：1000iv．波长：0.5461 umv．场角分布：垂直发光表面发光场型h)接收器参数设置：i.在距离透镜36mm的地方接收光线ii.接收面的尺寸为100mm*100mm(h)效果图要求：i.观察空间光强分布曲线：采用灯具模式；光强分布的参数设置为平滑度为50；水平方向角度数目为50ii.辐照度/光照度图：辐照度；描绘光线：入射；平滑化：图示计数50通过Cadala plot 选项设置使配光曲线的法线为0度。
步骤：1.构建模型：单透镜，光源，接收面2.设置属性：1）LED面发光属性定义单透镜材料透镜中心厚度为4.5mm，透镜材料为肖特玻璃(SCHOTT)，牌号为K10 第一个面半径为59.46第二个面半径为-47.33半孔径：103.进行光线追迹4.修改必要参数，获得配光曲线，并导出IES文件。
5.获得接收面的照度分布题二、利用DIALUX模拟室内照明设计效果一、基本参数a) 房间长84m、宽27米、高13米;b) 灯具安装高度11米，c) 采用给定灯具d) 照度要求大于200Luxe) 天棚、墙壁、地面的反射率分别为50%、50%、20%f) 维护系数0.8g) 工作面高度0.75。
h）工作面的照度均匀度大于0.4。
二、自行选择灯具，获得以下结果：i. 照明器具表ii. 等照度图iii.点照度表iv. 结果目录v. 3D图步骤：1.建立新的室内设计案，选用3D视图2.天棚、墙面、地面反射率分别为50%、50%、20%3.使用灯具为Thorn 96 207 107 OPTUS IV DI 2x54W HFS GRY DSB ML [STD]，在天花板上黏贴一枚灯具，计算地板上的照度情况若要在地面形成平均照度200lx以上，则至少需要128枚灯具。
半导体照明技术(第三讲)
以上各色即均是按照基色光等量相加的结果；若改变它们
之间的混合比例，经相加可获得各种颜色的彩色。
半
导
体
照
明
技
术
1853年格拉斯曼（H.Grasman）教授总结了下列相加混色定 律： 1、补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一 定比例混合，可以得到白色或灰色。 2、中间律：两个非补色相混合，便产生中间色。其色调决定 于两个颜色的相对数量，其彩度决定于二者在颜色顺序上的 远近。 3、代替律：相似色混合，混合色仍相似 。 可用公式表示如下： 颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，颜色(A+C)=颜色(B+D) 代替律表明，在混色中，某种颜色用外貌相同的另外颜色代 替，最后效果不变。 4、亮度相加律：混合色的亮度等于各分色的亮度之和。
半
导
体
照
明
技
术
色调则是围绕中央轴依次按红(5R)、黄红(5YR)、黄(5Y)、 黄绿(5GY)、绿(5G)、蓝绿(5BG))、蓝(5B)、蓝紫(5PB)、紫 (5P)、红紫(5RP)分成10个主色调。每一主色调又等分成10 个相近色调。共有40个不同的色调。 孟塞尔表色系统按颜色的三个基本特性的组合来表征颜色。 彩色系列的表达式为：
半
导
体
照
明
技
术
二、颜色的分类
1、非彩色 是指黑色、白色和介于两者之间的深浅不同的灰色。 非彩色可以排成一个系列，称作黑白系列或无色系列，从黑 色开始，依次逐渐地到深灰色、中灰色、浅灰色、直到白色。
2、彩色 是指黑白系列以外的各种颜色。 根据波长不同，彩色可以依次排成一个系列，称为彩色系列。 波长由长到短依次为：红、橙、黄、绿、青、篮、紫。
半
半导体照明工程师光学初级笔试复习题
半导体照明认证初级光学笔试复习题考试时间180分钟一、填空题1.光按照激发方式不同分为如下几类：生物发光，化学发光，，阴极射线发光，燃烧发光，。
2.道路照明中很窄的路段应使用布灯方式，照度均匀度和纵向照度均匀度都很好的布灯方式有和，道路两侧有茂密树木的情况下应考虑布灯。
3.某灯具的输入功率为18W，光通量为1512 lm，则次灯的光效为。
4.在相同的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比，称为。
5.当电流流过LED 器件时，PN结的温度将上升，我们把PN结区得温度定义为；其温度越高，LED的光输出，发光波长，发生红移。
6.光的反射通常包括三种，分别为、、。
7.如果光线的入射角大于临界角，那么就没有折射光线，入射光线的能量都被反射了，这种现象叫做。
二、选择题1．下面那一种材料可以用来制作蓝光发光二极管（）。
A.铝磷化镓(AlGaP)B.磷化镓(GaP)C.氮化镓(GaN)D.氮化铝(AlN)2．以下哪种措施不能减少反射眩光？( )A.限制灯具亮度B.采用漫反射墙面C.同等功率时选用宽光束灯具替换窄光束的D.采用高光效光源3．某均匀漫反射表面的反射比为，则该表面的亮度与照度的关系为：（）。
A.B.C.D.4．考虑国家照明标准和节能，教室照明采用以下哪种规划最好？( )A.平均照度250lx，LPD 8w/m2B.平均照度350lx，LPD 11.5w/m2C.平均照度285lx，LPD 8.5w/m2D.平均照度300lx，LPD 10.5w/m25．安装灯具时要考虑距高比，这是因为要( )。
A.保证工作面平均照度B.控制照度均匀度C.减少维护次数D.减少眩光6．荧光灯汞齐技术的优势在于( )。
A.提高光源显色性B.提高光源寿命C.放宽工作温度范围D.降低启动电压7．一盏出光面为40cm×80cm的LED灯具，测量其光强分布时，以下最合适的LED灯具到光度探头的距离是：（）。
半导体照明知识入门
1.1 人类光源发展历史
高节能性 绿色照明大功率半导体(LED)灯与传统灯相比节约电能在50%以上; 长寿命性 绿色照明大功率半导体(LED)灯配置的LED光源可靠工作寿命在50000小时以上; 高显色性 绿色照明大功率半导体(LED)灯显色指数在70以上,同时白光LED的波峰在蓝光区域,人眼比较敏感,有效提高在地铁运营的安全性与舒适性;
*
热烈欢迎 ________________一行莅临指导
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演讲人姓名
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主 题
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半导体（LED）照明介绍
演讲人姓名
半导体（LED）照明简介
第一部分
*
1.半导体（LED）照明简介
全球半导体照明工程
02
人类光源发展历史
01
*
1.1 人类光源发展历史
火 蜡烛 煤油灯 1.1.1 人类进入文明时代
*
1.1 人类光源发展历史
1.1.2 人类进入电光源时代
第一代电光源: 白炽灯 第二代电光源: 荧光灯 第三代电光源: 高强度气体放电灯 第四代电光源: 半导体(LED)光源
*
1.1 人类光源发展历史
1.1.2.1 白炽灯 Thomas Edison 1879年10月21日，一位美国发明家通过长期的反复试验，终于点燃了世界上第一盏有实用价值的电灯。从此，这位发明家的名字，就象他发明的电灯一样，走入了千家万户。他，就是被后人赞誉为“发明大王”的爱迪生。
*
1.1 人类光源发展历史
1.1.2.1 白炽灯
*
1.1 人类光源发展历史
无极荧光灯 无极荧光灯是利用高频电磁场激发发电腔内低气压汞蒸汽和惰性气体放电产生紫外线，紫外线再激发放电腔内壁上的荧光粉而发出可见光无极荧光灯是采用电磁感应技术在灯管内产生电磁回路，它的创新点为：通过以高频感应磁场的方式将能量耦合到灯泡内，这些能量使灯泡内的气体雪崩电离形成等离子体，而这些受激发的等离子体原子当其返回原始状态时，会将原来所获得的能量以253.7nm的紫外线形式辐射出来，完成一个能量转换过程，灯泡内壁的荧光粉受紫外线激发而发出可见光。
高节能性 绿色照明大功率半导体(LED)灯与传统灯相比节约电能在50%以上; 长寿命性 绿色照明大功率半导体(LED)灯配置的LED光源可靠工作寿命在50000小时以上; 高显色性 绿色照明大功率半导体(LED)灯显色指数在70以上,同时白光LED的波峰在蓝光区域,人眼比较敏感,有效提高在地铁运营的安全性与舒适性;
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主 题
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半导体（LED）照明介绍
演讲人姓名
半导体（LED）照明简介
第一部分
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1.半导体（LED）照明简介
全球半导体照明工程
02
人类光源发展历史
01
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1.1 人类光源发展历史
火 蜡烛 煤油灯 1.1.1 人类进入文明时代
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1.1 人类光源发展历史
1.1.2 人类进入电光源时代
第一代电光源: 白炽灯 第二代电光源: 荧光灯 第三代电光源: 高强度气体放电灯 第四代电光源: 半导体(LED)光源
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1.1 人类光源发展历史
1.1.2.1 白炽灯 Thomas Edison 1879年10月21日，一位美国发明家通过长期的反复试验，终于点燃了世界上第一盏有实用价值的电灯。从此，这位发明家的名字，就象他发明的电灯一样，走入了千家万户。他，就是被后人赞誉为“发明大王”的爱迪生。
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1.1 人类光源发展历史
1.1.2.1 白炽灯
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1.1 人类光源发展历史
无极荧光灯 无极荧光灯是利用高频电磁场激发发电腔内低气压汞蒸汽和惰性气体放电产生紫外线，紫外线再激发放电腔内壁上的荧光粉而发出可见光无极荧光灯是采用电磁感应技术在灯管内产生电磁回路，它的创新点为：通过以高频感应磁场的方式将能量耦合到灯泡内，这些能量使灯泡内的气体雪崩电离形成等离子体，而这些受激发的等离子体原子当其返回原始状态时，会将原来所获得的能量以253.7nm的紫外线形式辐射出来，完成一个能量转换过程，灯泡内壁的荧光粉受紫外线激发而发出可见光。
半导体照明技术(第一讲)
区域内光强按空间周期性变化的现象称为干涉。
半导体照明技术
等厚干涉
杨氏干涉
等倾干涉
牛顿环
图1-9 各种干涉条纹
半导体照明技术
2)光的衍射 光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障
碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 只有当小孔、 单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到 明显的衍射现象．
c=λν
图1-1 电磁波谱和可见光谱
半导体照明技术
在电磁波谱中，波长为380~780nm(1nm＝10-9m)的电磁波，作 用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。可见光只占电磁 波谱极小的一部分。
单色光:由单一波长组成的光。 可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波长的可见光， 在视觉上会形成不同的颜色。 通常将可见光分为： 红(780~630nm)、橙(630~600nm)、黄(600~570nm)、 绿(570~490nm)、青(490~450nm)、蓝(450~430nm)和 紫(430~380nm)等七种单色光。 将可见光按波长从380~780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、 青、绿、黄、橙、红色。
LED构造图
半导体照明技术
三、LED产业链 LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED 中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。
1、原材料
LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷 化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是III—V族化合物半导
体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。
图1-7 光的漫反射
图1-8 光的漫透射
半导体照明技术
（7）光的偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于
半导体照明技术
等厚干涉
杨氏干涉
等倾干涉
牛顿环
图1-9 各种干涉条纹
半导体照明技术
2)光的衍射 光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障
碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 只有当小孔、 单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到 明显的衍射现象．
c=λν
图1-1 电磁波谱和可见光谱
半导体照明技术
在电磁波谱中，波长为380~780nm(1nm＝10-9m)的电磁波，作 用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。可见光只占电磁 波谱极小的一部分。
单色光:由单一波长组成的光。 可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波长的可见光， 在视觉上会形成不同的颜色。 通常将可见光分为： 红(780~630nm)、橙(630~600nm)、黄(600~570nm)、 绿(570~490nm)、青(490~450nm)、蓝(450~430nm)和 紫(430~380nm)等七种单色光。 将可见光按波长从380~780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、 青、绿、黄、橙、红色。
LED构造图
半导体照明技术
三、LED产业链 LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED 中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。
1、原材料
LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷 化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是III—V族化合物半导
体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。
图1-7 光的漫反射
图1-8 光的漫透射
半导体照明技术
（7）光的偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于
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380 780
x X/(X Y Z) 0.338 y Y/(X Y Z) 0.270
1.3.2.3 均匀色度标尺
• CIE 1931色度图X，Y坐标转换为CIE 1960 均匀 色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式
4X u X 15Y 3Z
6Y v X 15Y 3Z
• 当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的 颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。 • 当（u,v）色度图上，等温线和色温曲线通常是垂 直的
1.3.3.2 显色指数
光源 显色指数 97 80-94 75-85 80-90 95-99 60~80 85~95 22-51 20-30 60-65
5.5 铝镓铟磷
• 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金 时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 • (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相 匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 • 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时， 增加x，可使其发光从红扩展到绿 • AlGaInP材料采用MOCVD系统生长 •AlGaInP系材料是目 前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黄光 (590 nm)LED产 品的主要体系
• 显色指数：表明光源 发射的光对被照物颜 色正确反映的量称为 显色指数
白炽灯 日光色荧光灯 白色荧光灯 暖白色荧光灯 卤钨灯 白光LED（两色混合）
• 显指（CRI）是白光光 源质量的重要参量。
白光LED（三色混合） 高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯
作业
1. 假设InGaN蓝光LED芯片是一折射率为2.5 的薄层，放置在空气中，请计算其全反射 角的大小，并计算由LED的其中一个平面 出去到空气中的光功率的百分比。 2. 某个RGB白光LED，其光谱可简化看成是 0.25W的460nm蓝光、0.2W的540nm绿 光和0.25W的650nm红光组成，请计算其 光通量（明视觉）大小，色度坐标（x,y） 和(u,v)，并根据色温等温线，估算此光源 的色温。
ΔEc p Eg1 Eg2 Eg1 n ΔEc ΔEv p p Eg2 Eg1
n
ΔEv
4.4 异质结构和量子阱
• 双异质结的有源层厚度下降到与电子的德 布罗意波可比拟时（纳米量级），载流子 被量子局域在很窄的势垒内，被称为量子 阱结构。单量子阱和多量子阱是高亮度LED 的通用结构。
5.0 半导体发光材料的条件
阴极射线致发光（Schubert, 1995）
液相外延时，高温下Si占据Ga 形成施主，低温下Si占据As形 成受主，发光峰值为940nm。
GaAs中的线位错（X W Liu,1999）
5.2 磷化镓
• GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同 的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20 世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 • 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主 要是镓空位。 • VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、 镁是常用的P型掺杂剂 • 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复 合。液相外延生长，效率为0.7% • 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发 光向长波长移动，峰值波长为590nm。 • 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在 700nm,发光效率可达15%。
2.1 自然光源 太阳
到达地球表面的太阳 光的波长范围： 290 ～ 1700 nm ，波 长短于 290nm 的部分 被臭氧所吸收，而波 长大于1700 nm的部 分则被大气层中的水 气和二氧化碳强烈吸 收。 可见光的波长范围： 380～780 nm之间。 部分太阳光具有与约 5700K 的黑体辐射能 变几乎一致的连续分 布
成为半导体发光材料的条件：
• 高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料为主 • 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 1239 .5 (nm) hv(eV ) • 直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 • 可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结 构。
5.1 砷化镓
GaAs为闪纤矿结构，直接带 隙半导体，带隙宽度1.42eV 缺陷主要是位错和化学计量比 偏离造成的缺陷。镓空位对发 光效率的影响很大，氧和铜是 重要的有害杂质。
4.2 注入载流子的复合
（1）辐射型复合 ① 电子和空穴由于碰撞而复合（直接和间接） ② 通过杂质能级复合 ③ 通过相邻能级的复合 ④ 激子复合 （2）非辐射复合 ① 伴随多数的声子的复合 ② 俄歇复合 ③ 器件表面的复合
4.4 异质结构和量子阱
• 异质结：两块具有不同带隙能量的单晶半 导体连接而成的。 • 异质结的界面会由于晶格和热应力失配造 成的缺陷，影响异质结的质量。 • 单异质结 双异质结
0
光通量：按照 CIE 规定的人眼的视觉特性（ CIE 标 准光度观察者）来评价的辐通量，即用光谱灵敏度 为 V(λ) 函 数 的 物 理 探 测 器 所 评 价 的 辐 通 量 。 符号Fλ，单位：流明（lm） 1975年，流明的定义为：频率为540×1012赫兹， 辐 通 量 为 1/683W 的 单 色 辐 射 的 光 通 量 。 540×1012赫兹的波长是555nm
2.2.1 人工光源的发明与发展
• Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得 出，LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20 倍,这个规律被业界称为Haitz定律 • 2020年左右，半导体照明光源的效率可能达到200lm/W
2.2.4 荧光灯 Fluorescent Lamp
• 灯内填充钠金属和少量Ne和Ar 混合的惰性气体。 • Na原子受激电离，产生共振辐 射，D线：589nm和589.6nm • 外套管内壁镀有反射红外线的氧 化铟膜 • 功率18~180W，光输出 1800~33000lm，寿命值为 14000~18000小时 • 缺点是显色指数低。
2.2.6 高压放电灯
• 高压放电中，原子和离子被加速到很高的速度，等离 子体的温度在4000~6000K范围内，热辐射部分降低， 谱线增宽，显色性大大提高 高压汞灯：汞蒸气在0.2~1MPa下，发光光谱红移且 有连续本底，通过在内壁涂覆红色荧光粉，显指提高 到50。光效为20~50lm/W 高压钠灯：提高钠蒸气压，D线变宽，显指可达到60 或更高，但发光效率和寿命会下降。光效100lm/W左 右，主要用于道路照明。 金属卤化物灯：放电管内添加金属卤化物，可得到全 光谱光源。金属和卤素原子通过扩散-分解-扩散-分解 过程重复进行。光效可达到90-95lm/W，显指94。可 作为一般照明和重点照.5 0.9163 0.5745
380
• 考虑一简化的发光光谱，在460nm处的功率为0.4W， 580nm处的功率为0.5W，其它波长功率为0，试计 算该光谱的色度坐标 780
780 380
Y PY ( )d 0.4 0.06 0.5 0.87 0.459 Z P Z ( )d 0.4 1.6692 0.5 0.0011 0.6682
1.3.2 国际照明委员会色度学系统
• 国际照明委员会规定三原色标准为 X , Y , Z 如表1-3所示
X 780P X ( )d 380 780 Y 380 PY ( )d 780 Z 380 P Z ( )d
色度坐标计算示例
5.4 镓铝砷
• Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时 由直接跃迁变成间接跃迁。 • GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格 失配的问题很小 • 最佳发光效率在640~660nm之间，相应的 x=0.34~0.4，内量子效率在50%左右。 • 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/PGa0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到 16%，发光强度5cd。 • 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧 化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。
光照度：投射在单位面积上的光通量。单位： 勒克斯（lx），1 lx＝1 lm/m2 朗伯发光：某些面辐射源或理想的漫射面， 辐射强度与表面法线和给定方向间夹角 Ө 的 余弦成正比
dF I d
I I 0 cos
1.3.1 颜色的性质
• 三原色原理认为：人眼的视网膜是三种不 同感色物质镶嵌而成。其分别对应于蓝(B)、 绿(G)、红（R)光的特定波长。 • 颜色叠加原理：任何颜色都是由三原色合 成的: C=XR+YG+ZB
2 nair 2 4ns
*
I I 0 exp(ax)
1.1.3 人眼的光谱灵敏度
人眼的光谱灵敏度随环境亮度的改变而变化 • 明视觉：亮度超过10cd（坎德拉）.m-2. • 暗视觉：环境亮度低于10-2cd/m2.
1.1.4 光度学及测量
辐通量（辐射功率）：以辐射形式发射、传输或 接收的功率。 单位：W； 总的辐射功率为： P P d
Red + Green =Yellow Red + Blue =Magenta Green + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White
1.3.1 颜色的性质
采用归一化 x=X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z) x+y+z=1
颜色可以使用坐标（x,y）来确定
• 由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发 光的放电灯，它是一种低电压汞蒸气弧 光放电灯 • 灯内含有低气压的汞蒸气和少量的惰性 气体，管内壁涂有荧光粉层 • 汞蒸气将输入电能转化成波长为 253.7nm的紫外辐射，照射到荧光粉上 • 光效为60~80lm/W,寿命约8000~10000 小时
x X/(X Y Z) 0.338 y Y/(X Y Z) 0.270
1.3.2.3 均匀色度标尺
• CIE 1931色度图X，Y坐标转换为CIE 1960 均匀 色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式
4X u X 15Y 3Z
6Y v X 15Y 3Z
• 当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的 颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。 • 当（u,v）色度图上，等温线和色温曲线通常是垂 直的
1.3.3.2 显色指数
光源 显色指数 97 80-94 75-85 80-90 95-99 60~80 85~95 22-51 20-30 60-65
5.5 铝镓铟磷
• 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金 时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 • (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相 匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 • 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时， 增加x，可使其发光从红扩展到绿 • AlGaInP材料采用MOCVD系统生长 •AlGaInP系材料是目 前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黄光 (590 nm)LED产 品的主要体系
• 显色指数：表明光源 发射的光对被照物颜 色正确反映的量称为 显色指数
白炽灯 日光色荧光灯 白色荧光灯 暖白色荧光灯 卤钨灯 白光LED（两色混合）
• 显指（CRI）是白光光 源质量的重要参量。
白光LED（三色混合） 高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯
作业
1. 假设InGaN蓝光LED芯片是一折射率为2.5 的薄层，放置在空气中，请计算其全反射 角的大小，并计算由LED的其中一个平面 出去到空气中的光功率的百分比。 2. 某个RGB白光LED，其光谱可简化看成是 0.25W的460nm蓝光、0.2W的540nm绿 光和0.25W的650nm红光组成，请计算其 光通量（明视觉）大小，色度坐标（x,y） 和(u,v)，并根据色温等温线，估算此光源 的色温。
ΔEc p Eg1 Eg2 Eg1 n ΔEc ΔEv p p Eg2 Eg1
n
ΔEv
4.4 异质结构和量子阱
• 双异质结的有源层厚度下降到与电子的德 布罗意波可比拟时（纳米量级），载流子 被量子局域在很窄的势垒内，被称为量子 阱结构。单量子阱和多量子阱是高亮度LED 的通用结构。
5.0 半导体发光材料的条件
阴极射线致发光（Schubert, 1995）
液相外延时，高温下Si占据Ga 形成施主，低温下Si占据As形 成受主，发光峰值为940nm。
GaAs中的线位错（X W Liu,1999）
5.2 磷化镓
• GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同 的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20 世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 • 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主 要是镓空位。 • VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、 镁是常用的P型掺杂剂 • 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复 合。液相外延生长，效率为0.7% • 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发 光向长波长移动，峰值波长为590nm。 • 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在 700nm,发光效率可达15%。
2.1 自然光源 太阳
到达地球表面的太阳 光的波长范围： 290 ～ 1700 nm ，波 长短于 290nm 的部分 被臭氧所吸收，而波 长大于1700 nm的部 分则被大气层中的水 气和二氧化碳强烈吸 收。 可见光的波长范围： 380～780 nm之间。 部分太阳光具有与约 5700K 的黑体辐射能 变几乎一致的连续分 布
成为半导体发光材料的条件：
• 高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料为主 • 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 1239 .5 (nm) hv(eV ) • 直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 • 可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结 构。
5.1 砷化镓
GaAs为闪纤矿结构，直接带 隙半导体，带隙宽度1.42eV 缺陷主要是位错和化学计量比 偏离造成的缺陷。镓空位对发 光效率的影响很大，氧和铜是 重要的有害杂质。
4.2 注入载流子的复合
（1）辐射型复合 ① 电子和空穴由于碰撞而复合（直接和间接） ② 通过杂质能级复合 ③ 通过相邻能级的复合 ④ 激子复合 （2）非辐射复合 ① 伴随多数的声子的复合 ② 俄歇复合 ③ 器件表面的复合
4.4 异质结构和量子阱
• 异质结：两块具有不同带隙能量的单晶半 导体连接而成的。 • 异质结的界面会由于晶格和热应力失配造 成的缺陷，影响异质结的质量。 • 单异质结 双异质结
0
光通量：按照 CIE 规定的人眼的视觉特性（ CIE 标 准光度观察者）来评价的辐通量，即用光谱灵敏度 为 V(λ) 函 数 的 物 理 探 测 器 所 评 价 的 辐 通 量 。 符号Fλ，单位：流明（lm） 1975年，流明的定义为：频率为540×1012赫兹， 辐 通 量 为 1/683W 的 单 色 辐 射 的 光 通 量 。 540×1012赫兹的波长是555nm
2.2.1 人工光源的发明与发展
• Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得 出，LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20 倍,这个规律被业界称为Haitz定律 • 2020年左右，半导体照明光源的效率可能达到200lm/W
2.2.4 荧光灯 Fluorescent Lamp
• 灯内填充钠金属和少量Ne和Ar 混合的惰性气体。 • Na原子受激电离，产生共振辐 射，D线：589nm和589.6nm • 外套管内壁镀有反射红外线的氧 化铟膜 • 功率18~180W，光输出 1800~33000lm，寿命值为 14000~18000小时 • 缺点是显色指数低。
2.2.6 高压放电灯
• 高压放电中，原子和离子被加速到很高的速度，等离 子体的温度在4000~6000K范围内，热辐射部分降低， 谱线增宽，显色性大大提高 高压汞灯：汞蒸气在0.2~1MPa下，发光光谱红移且 有连续本底，通过在内壁涂覆红色荧光粉，显指提高 到50。光效为20~50lm/W 高压钠灯：提高钠蒸气压，D线变宽，显指可达到60 或更高，但发光效率和寿命会下降。光效100lm/W左 右，主要用于道路照明。 金属卤化物灯：放电管内添加金属卤化物，可得到全 光谱光源。金属和卤素原子通过扩散-分解-扩散-分解 过程重复进行。光效可达到90-95lm/W，显指94。可 作为一般照明和重点照.5 0.9163 0.5745
380
• 考虑一简化的发光光谱，在460nm处的功率为0.4W， 580nm处的功率为0.5W，其它波长功率为0，试计 算该光谱的色度坐标 780
780 380
Y PY ( )d 0.4 0.06 0.5 0.87 0.459 Z P Z ( )d 0.4 1.6692 0.5 0.0011 0.6682
1.3.2 国际照明委员会色度学系统
• 国际照明委员会规定三原色标准为 X , Y , Z 如表1-3所示
X 780P X ( )d 380 780 Y 380 PY ( )d 780 Z 380 P Z ( )d
色度坐标计算示例
5.4 镓铝砷
• Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时 由直接跃迁变成间接跃迁。 • GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格 失配的问题很小 • 最佳发光效率在640~660nm之间，相应的 x=0.34~0.4，内量子效率在50%左右。 • 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/PGa0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到 16%，发光强度5cd。 • 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧 化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。
光照度：投射在单位面积上的光通量。单位： 勒克斯（lx），1 lx＝1 lm/m2 朗伯发光：某些面辐射源或理想的漫射面， 辐射强度与表面法线和给定方向间夹角 Ө 的 余弦成正比
dF I d
I I 0 cos
1.3.1 颜色的性质
• 三原色原理认为：人眼的视网膜是三种不 同感色物质镶嵌而成。其分别对应于蓝(B)、 绿(G)、红（R)光的特定波长。 • 颜色叠加原理：任何颜色都是由三原色合 成的: C=XR+YG+ZB
2 nair 2 4ns
*
I I 0 exp(ax)
1.1.3 人眼的光谱灵敏度
人眼的光谱灵敏度随环境亮度的改变而变化 • 明视觉：亮度超过10cd（坎德拉）.m-2. • 暗视觉：环境亮度低于10-2cd/m2.
1.1.4 光度学及测量
辐通量（辐射功率）：以辐射形式发射、传输或 接收的功率。 单位：W； 总的辐射功率为： P P d
Red + Green =Yellow Red + Blue =Magenta Green + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White
1.3.1 颜色的性质
采用归一化 x=X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z) x+y+z=1
颜色可以使用坐标（x,y）来确定
• 由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发 光的放电灯，它是一种低电压汞蒸气弧 光放电灯 • 灯内含有低气压的汞蒸气和少量的惰性 气体，管内壁涂有荧光粉层 • 汞蒸气将输入电能转化成波长为 253.7nm的紫外辐射，照射到荧光粉上 • 光效为60~80lm/W,寿命约8000~10000 小时