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半导体照明技术
半导体照明技术半导体照明技术一、基础知识篇•1．光的本质是什么，物体发光有哪几种方式？•2．何谓电致发光？半导体发光为何属冷光？•3．照明光源的发展经历了哪几个阶段？•4．LED的工作原理与基本结构是什么？•5．LED光源有哪些优势？•6．在主要性能方面，目前白光LED与传统光源相比有哪些优缺点？•7．什么是色温？什么是显色指数？•8．通用照明对白光LED的光电性能有哪些基本要求？•9．什么是人眼对光的视觉敏感曲线？•10．人眼对光的视觉敏感曲线对我们了解LED照明有什么作用？•11．LED的发展经历了哪几个阶段？•12．何谓LED的伏安特性？LED的电功率是如何计算的？•13．LED的基本特性是什么？•14．何谓LED的电―光转换？如何表述光电转换效率？•15．LED单色光（红、黄、蓝、绿等）的光谱与白光的光谱有什么区别？•16．在通用照明领域，LED取代传统光源从目前来看还需克服哪些障碍？•17．LED取代传统光源还有哪些需要攻克的课题，当前国际上LED发展的趋势如何？•18．何谓绿色照明光源？它有哪些特点？•19．为什么说21世纪照明产业将迎来自爱迪生发明白炽灯以来的又一次产业革命？•20．哪些产业是LED产业链的构成部分？•21．LED上游产业是指哪些产业？•22．LED中游产业是指哪些产业？•23．LED下游产业是指哪些产业？•24．LED产业的发展，可以带动哪些相关产业的产品升级换代和技术创新？•25．用半导体光源取代传统光源对我国这样一个照明光源生产与出口大国的重要意义何在？•26．当前我国LED产品与国际先进水平相比，主要差距在哪里？•27．我国发展半导体照明产业的优势何在？政府主管部门出台了哪些推进这一产业发展的重要举措？•二、外延芯片篇•28．LED的发光有源层――PN结是如何制成的？哪些是常用来制造LED的半导体材料？•29．什么是LED的内量子效率？不同的发光波长，假定内量子效率达100％，其电―光效率有何不同？•30．LED PN结有源层发出的光子能否100％逸出到空气中？•31．有哪些生长LED有源层的外延方法？它们各自有什么特点？•32．哪些材料可以用做生长外延层的衬底材料？它们各自有哪些优缺点？•33．当前，生产超高亮LED的外延方法主要有几种？什么是MOCVD？•34．当前，用做半导体照明光源的高效LED的外延层结构有何创新和发展？它们的结构如何？•35．当前的GaAs、GaP、GaAlAs、GaInAlP以及InGaN等均是无机半导体材料，除此之外，还有哪些无机材料可以制造发光二极管？目前研发的进展如何？•36．简述有机半导体发光二极管发展历程，0LED等能否进入照明领域？•37．国内LED外延产业的状况与发展趋势如何？•38．LED芯片的制造流程是怎样的？•39．LED芯片制造工序中，哪些工序对其光电性能有较重要的影响？•40．芯片制造过程中通过哪些工艺技术措施可以提高芯片发光强度与出光效率？•41．LED芯片为什么要分成诸如8mil，9mil…13～22mil，40mil等不同的尺寸？尺寸大小对LED光电特性有哪些影响？•42．LED大功率芯片一般指多大面积的芯片？为什么？大功率芯片的版图设计有哪些特殊考虑？•43．制造GaN外延材料的芯片工艺和加工设备与GaP、GaAs、InGaAlP相比有哪些不同的要求？为什么？•44．什么是“激光剥离技术”？它在LED芯片制造中起什么作用？它主要用在哪类芯片制造中？•45．“透明电极”芯片的结构与它的特点是什么？•46．什么是“倒装芯片（Flip-Chip）”？它的结构如何？它有哪些优点？•47．用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？三、封装篇•48．提高LED芯片光子逸出率的途径有哪些？为什么说通过封装设计和封装材料改进可以提高LED光子逸出效率？•49．简述提高LED芯片电―光转换效率的重要意义。
半导体照明技术(第一讲)
半导体照明技术(第一讲).txt不怕偷儿带工具，就怕偷儿懂科技！ 1品味生活，完善人性。
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半导体照明技术半导体照明技术参考书目：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制造技术和使用》，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，器件（发光二极管，即LED，是由，半导体材料制成的光电器件，半导体材料制成的光电器件，可将电能直接转换为光能）电能直接转换为光能）作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿照明，具有高效、节能、环保、命长、易维护等显著特点，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、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。
半导体照明 (LED)半导体照明技术二、LED（Light Emitting Diode ）（ LED，是一种固态的半导体器件, ，是一种固态的半导体器件它可以直接把电转化为光。
它可以直接把电转化为光。
LED的心的心脏是一个半导体的晶片，脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。
脂封装起来。
半导体晶片由两部分组一部分是P型半导体型半导体，成，一部分是型半导体，空穴占主导地位，另一端是N型半导体型半导体，导地位，另一端是型半导体，主要是电子。
是电子。
这两种半导体相连就形成一结个“P-N结”。
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三、高亮度发光二极管芯片构造
刚开始研制成旳高亮度LED，都是在半导体激光器件中已
成熟采用旳双异质结构造，这种构造生长旳特点是生长轻易，
提升发光效率旳效果明显，它旳特制双异质构造形成旳势垒将
注入旳载流子限制在复合区内，大大提升了发光复合效率。但
为了提升发光效率，又对芯片构造进行了许多新旳改善，详细
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4、色温 色温旳特征能够用色坐标（X、Y）来量化，根据X、Y值
能够得杰出温或有关色温。如混合485nm(蓝光)和583nm (橙 黄光)，可得到色温大约为4000K旳白色光。对于三色白光源 来说，能够调整三色旳成份来控制光源旳色温。目前经过调 整LED或荧光粉旳波长和带宽以及相应成份能够得到从低到 高色温区旳所用白光。所以对于半导体照明光源来说，色温 也不是困难。
发光波长与构成x间符合关系式：
1.24 103 1.43 1.23x
综合考虑外量子效率与x旳关系和人眼是视觉敏捷度， 存在一种最佳旳构成x值x=0.4，得到最高旳发光亮度，波长 为650-660nm。
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四、镓铝砷
1、Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs旳固溶体。当x=0.35时由直接 跃迁变成间接跃迁。
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五、铝镓铟磷
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。在GaAs上生长旳高质量(AlxGa1-x)0.5In0.5P薄膜是半 导体照明中主要旳异质构造材料。
2、直接带隙到间接带隙旳转变出目前x=0.65，相应于带隙能 量2.3eV，所以能得到656nm到540nm范围内旳光发射。用它制 成旳发光二极管得到了可见光中最高旳发光效率，在614nm到 达108lm/W。
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半导体照明基础知识笫一部分光源基础1. 光致发光有大量材料受到紫外线的激发而辐射出可见光，称为光致发光荧光这个词用来表示材料受到激发后立即发光.荧光灯属.光致发光2•电致发光将电能直接转化为光能的一种物理现象.光-电转换不需经过其他物理过程.如丄ED发光属电致发光.3. 光源分类热辐射：白炽灯，卤钨灯气体放电：高压气体放电灯：汞灯.钠灯.舍金卤化物灯.低压气体放电灯：钠灯，荧光灯.电致发光：发光二极管（LED4. 性能参数光效：光源将其他形式的能量转化为可见光的能力的量，光源所发出的光通量和光源所消耗的电功率之比。
即①/Pi单位：ml/w光源寿命：全寿命，平均寿命，有效寿命。
有效寿命是指光源的光通量下降到初始值的70%5. 光通维持率在规定条件下对LED竟明产品进行燃点，在寿命期间内燃点达到一特定时间时所发出的光通量与初始光通量的比值，用百分数表示。
6. 光分布光源的分布分为漫射性和指向性。
笫二部分光度学基础1. 光通量光通量：光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量用①表示。
单位:ml2. 发光强度光源在某一方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的发光强度。
（简称光强）用符号：I表示,单位：（cd）表示3. 光照度光照度（简称照度）是表征表面被照明程度的量，是单位表面接受到的光通量用符号:E表示，单位：lx, 例：晴天中午地面照度为了100000 lx4. 亮度光源在某一方向的亮度（L）是光源在该方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量.笫三部分色度学基础1. CIE标准色度学系统规定RG系统的三色光波长700.0nm（红光R）546.1 nm（绿光G）435.8nm（蓝光B）2. 色温将标准黑体加温，黑体颜色将由：红，橙红，黄，黄白，蓝白依次变化。
光源色温定义为和黑体颜色相近时的黑体温度。
用热力学温度K表示。
色温用CT 表示，单位:K当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度称为该光源的颜色温度，简称：色温3. 相关色温光源发出的光的颜色和各种温度下的黑体辐射的颜色都不完全相同，通常选用与其光颜色最为接近的黑体的温度为该光源的相关色温，用CC■表示单位:K 4. 显色指数光源对物体颜色的还原能力用显色指数表示。
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SiC 衬底 优点：电极：L型(垂直接触）电极设计，电流是纵向流动
的，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的
热量可以通过电极直接导出。
3. Led芯片的结构
LED芯片有两种基本结构，横向结构和垂直结构。 横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电 流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。
料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
3、三代半导体材料
第一代半导体材料，元素半导体材料； 以Si和Ge为代表， Si：Eg=1.12 eV
第二代半导体材料，化合物半导体材料； 以GaAs，InP等材料为代表， GaAs：Eg=1.46eV
第三代半导体材料，化合物半导体材料； 以GaN、SiC、ZnO等材料为代表，GaN: Eg=3.3 eV
收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得
白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光 粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温350010000K的各色白光。
LED实现白光的三种主要方式
八、LED封装技术 1、封装的作用
将普通二极管的管芯密封在封装体内，其
作用是保护芯片和完成电气互连。 对LED的封装则是实现 输入电信号、 保护芯片正常工作 输出可见光的功能
生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metalorganic Chemical Vapor DePosition，MOCVD) 、液相外镀炉、 光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊
机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光
色点全自动分选机等。
半导体照明技术(第二讲)精选全文
半导体照明技术
3．眩光 当视野内由于亮度分布或亮度不适宜，或存在着极端的亮度对
比，以致引起不舒适感觉和降低目标可见度的视觉现象，统称为眩 光。
可见度是指人眼辨认物体存在或物体形状的难易程度。
通常将眩光分为不舒适眩光和失能眩光： (1)不舒适眩光：产生不舒适感觉，但并不一定是降低视觉功效 或可见度的眩光。 (2)失能眩光：降低视觉功效和可见度的眩光。
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五、视觉功效 人们完成视觉工作的效率称为视觉功效。用来定量评价视觉器 官完成给定视觉作业的能力。其主要的评价指标有以下几个方面：
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3、光度量
光是能量的一种存在形式，光对物质的作用是与光能量的转化 相关的。在照明技术中，由于光作用于人的眼睛所产生的视觉强度， 不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关，所以在照明技术中， 为了更好地研究光在照明工程中的应用，通常采用的是以视觉效果 来评价光辐射的量——光度量。在照明工程中，常用的光度量有光 通量、发光强度、照度和亮度等。
位是：瓦（W）。
P dQe dt
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（3）辐射强度J 单位时间在单位立体角内所辐射的能量，单位为：W/sr。
J dp
d
对于点辐射源，在整个空间的辐射通量P为：
2
P Jd o d 0 J sind
如果辐射通量在空间分布均匀，即J φθ不随φ和θ而改变，则：
P 4J
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向θ变化，就称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源 又称为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度
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一概念1半导体分类：(1)晶体半导体:元素半导体，化合物半导体；(2)非晶体半导体(3)有机半导体2晶体的定义和分类:(1)由周期排列的原子构成的物体，具有一定熔点的固体，称为晶体。
(2)单晶体，多晶体单晶体是个凸多面体，围成这个凸多面体的面是光滑的，称为晶面。
由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。
多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内的原子排列是不同的。
3半导体发展的四大阶段：第一阶段：现象的观察第二阶段：理论指导第三阶段：晶体管诞生第四阶段：集成电路出现4固体物质的微观粒子排列：固体物质是由大量的原子、分子或离子按照一定方式排列而成的，这种微观粒子的排列方式称为固体的微结构。
5长程有序：在晶体中尺寸为微米量级的小晶粒内部，原子的排列是有序的。
在晶体内部呈现的这种原子的有序排列，称为长程有序。
6晶体的基本性质：(1)•周期性(Periodicity )(2)・对称性(Symmetry )(3)•各向异性(Anisotropy )(4)•最小内能性(5)•晶格振动(Lattice Vibration )7解理：晶体具有沿某一个或数个晶面发生劈裂的特征，这种特征称为晶体的解理。
解理的晶面，称为解理面。
8原胞：这些平行六面体形状的、代表晶体结构中最小的重复单元，称为固体物理学原胞，简称为原胞。
9品胞：品胞(Unit Cell)能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。
其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又最小者特称“单位晶胞”，但亦常简称晶胞。
10原子晶体的特点：a导电性能差；b熔点高；c硬度高；d热膨胀系数小。
11金属晶体的特点：导电性能良好；导热性能良好；不同金属存在接触电势差；延展性能良好。
12晶体的对称元素：对称元素包括对称面(或镜面)、对称中心(或反演中心)、旋转轴和旋转反演轴。
13电子填充遵循的原理与规则：电子在各壳层上的填充，遵循能量最小原理、泡利不相容原理和洪特规则。
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d
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 I I0 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。
• 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
2.2.5 低压纳灯Low-pressure sodium
白光LED与固态照明技术 复习
1.1.1 光的本质
• 本质：波粒二重性(同时具 有粒子性和波动性)
• 光速、光波长与频率关系： c=λν
• 光子具有的能量： E=hν=hc/λ
• 可见光波段： 380nm~780nm
波长：nm(10-9m)
1.1.2.1 光的产生
• 光的产生：温度辐射和发光（激发发光） • 温度辐射：物质在高温下辐射出热能；
• 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
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