半导体照明技术(第六讲)
半导体照明技术
半导体照明技术第一篇：半导体照明技术在照明行业中的应用半导体照明技术是目前照明行业中最为先进的技术之一，它使用半导体发光二极管（LED）作为光源，具有节能、环保、寿命长等优点。
半导体照明技术的应用涵盖了各个领域，包括室内照明、室外照明、特殊场合照明等。
室内照明是半导体照明技术应用最广泛的领域之一。
在室内照明中，半导体照明技术可以通过LED灯管、LED面板灯等产品实现。
与传统照明产品相比，半导体照明产品的功率较小，但是亮度却不差，而且其寿命远远超过传统照明产品。
这些优点使得半导体照明技术的应用在室内照明领域中得到了广泛的认可。
室外照明是半导体照明技术应用的另一个重要领域。
在室外照明领域中，半导体照明技术不仅可以用于普通路灯、景观灯等传统产品，还可以运用在智能路灯、太阳能路灯等高新产品上。
这些丰富的产品形态使得半导体照明技术在室外照明领域中具有广泛的应用前景。
此外，半导体照明技术还可以用于特殊场合照明，如舞台灯光等。
相比传统舞台灯光，半导体照明技术使用的LED灯具功率小、体积小、寿命长、色彩饱和度高等优点，使得其在舞台灯光领域中的应用日益广泛。
相信随着半导体照明技术的不断发展和创新，其在特殊场合照明领域的应用将会越来越多样化。
总之，半导体照明技术的应用范围非常广泛，在室内照明、室外照明、特殊场合照明等各个领域都有着重要的地位和作用。
随着半导体照明技术的不断进步和发展，相信其在照明行业中的应用前景将越来越广阔。
第二篇：半导体照明技术的发展历程半导体照明技术的发展可以追溯到20世纪60年代，此时LED还没有被广泛应用于照明行业。
在20世纪70年代，LED开始被用于数字显示器等场合，但是其在照明领域中的应用还不成熟。
直到80年代末和90年代初，半导体照明技术才开始在照明行业中得到广泛应用。
1992年，美国专利局颁发了一项LED照明专利，这在某种程度上标志着半导体照明技术正式开始跨入实用阶段。
随着技术不断成熟，LED的亮度逐渐提高，功率也逐渐降低，这使得LED照明成为了一种先进的、高效的照明方式。
半导体照明技术
知识创造未来
半导体照明技术
半导体照明技术是一种利用半导体材料发光的照明技术。
常见的半导体照明技术包括LED（Light Emitting Diode，发光二极管）照明和OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）照明。
LED照明是目前最常见和广泛应用的半导体照明技术。
LED 是一种能够将电能直接转换为光能的器件，具有高效能、
寿命长、耐震动、环保等优点。
LED照明应用范围广泛，
包括室内和室外照明、汽车照明、背光源等，已经逐渐代
替了传统的白炽灯和荧光灯。
OLED照明是一种新兴的照明技术，其原理是利用有机化合物在电流的激发下发出光线。
OLED具有薄、轻、柔性等特点，可以制成灵活的显示屏和照明设备。
OLED照明还具有自发光、均匀照明、色彩饱满等优点，适用于室内照明、
商业照明、装饰照明等领域。
半导体照明技术具有能源高效、寿命长、环保等优势，正
在逐渐成为未来照明的主流技术。
随着技术的发展和成本
的下降，半导体照明技术受到越来越广泛的应用和推广。
1。
半导体照明技术
半导体照明技术半导体照明技术是近年来光电子领域的一项重要技术，也是照明行业的一次革命性突破。
其与传统的照明技术相比，具有更高的效率、更长的寿命以及更低的能耗，被广泛应用于室内照明、汽车照明、背光源以及市政照明等领域。
半导体照明技术的核心是发光二极管（LED）。
LED通过电流的通过，使得半导体材料产生电子和空穴的复合，从而发出光辐射。
相比传统的白炽灯或荧光灯，LED具有更高的能源转换效率。
根据目前的研究数据，LED的工作效率可达到50-60%，而传统的白炽灯仅为10%，荧光灯为20%左右。
这意味着LED可以用更少的电能产生更强的光亮，从而减少了能源的浪费，降低了能源的消耗，有助于保护环境。
除了高效率之外，半导体照明技术还具有更长的使用寿命。
目前市场上的LED灯具寿命可达到20,000到50,000小时，远远超过了白炽灯的1000小时和荧光灯的5000小时。
这就意味着，在同样的使用时间内，LED灯可以减少更多的灯泡更换和维修成本。
同时，长寿命也减少了废旧灯泡的数量，降低了环境污染。
半导体照明技术的另一个优势是调光性能。
传统的白炽灯和荧光灯需要使用外接设备来调节亮度，而LED可以通过调节电流直接实现亮度的调节。
这使得LED灯具具备更好的可调性和光色表现，可以满足不同应用场景的需求。
例如，室内照明可以根据不同的情况调节亮度，达到更加舒适和节能的效果。
车辆照明则可以根据不同的驾驶条件调整灯光的亮度和颜色，提升行车安全性。
在市政照明领域，半导体照明技术也发挥了重要作用。
传统的路灯大多使用高压钠灯作为光源，虽然具有较高的亮度，但能效低，污染环境。
而LED路灯则具有高效节能、长寿命、可调光等特点，成为城市照明更新换代的首选。
根据国内外一些城市的统计数据，应用LED 照明技术后，能源消耗可以降低50%以上。
这不仅减缓了城市的用电压力，同时也对环境产生了积极的影响。
然而，半导体照明技术也存在一些挑战和限制。
首先是成本问题。
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(1~10章)
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。
2、LED上游产业 主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的
高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层 等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成 分割检测。
半导体照明技术
3、LED中游产业 是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场 合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。 4、LED下游产业 是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用 产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、 LED景观灯 饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。
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。
生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metalorganic Chemical Vapor DePosition ，缩写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
半导体照明技术
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
半导体照明技术
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。
半导体照明技术
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。
半导体照明技术
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。
《半导体照明讲座》PPT课件
适眩光。眩光是影响照明质量的重要因素。
h
12
1、重要照明术语
——功率因素与平均寿命
• 功率因素——电路中有用功率与实际功率 之间的比值。功率因数低，则电流中的谐
波含量越高，对电网产生污染，破坏电网 的平衡度，无功损耗增加。
• 平均寿命——也就是额定寿命，是指点亮
批量灯完好率为50%的小时数。
h
Байду номын сангаас
13
教室、保龄球、理发室等等。
4.200-300-500 简单视觉要求的作业场所。如阅览室、设
计室、打字室、橱窗、陈列室、美容、烹调、体育运动的
训练场、玻璃石器金属品的展览厅、保龄球、排球、羽毛
球、武术等的比赛场所等等h。
16
3、推荐照度范围
照度范围（LX）应用场所
5.300-500-700 中等视觉要求的作业场所。体操网球篮球 比赛场、游泳跳水比赛场、绘图室、印刷机房、木材机械 加工、一般精细作业、粗加工、机床区、电修车间等等。 6.500-750-1000 较强视觉要求的作业。乒乓球、围棋、 象棋、等比赛场、金属加工厂、机电装配车间的小件装配、 精密电修车间、打字室、抛光车间等等。 7.750-1000-1500 较难视觉作业要求的场所。 8.1000-1500-2000 特殊视觉要求的作业场所。 9.2000以上 进行很精密的视觉作业。
光强(l)是指在某一特定方向角（w） 内所发射的光通量（Φ）
h
6
1、重要照明术语
——照度E
• 单位：勒克司[lx]
• 照度（E）是光 通量与被照射面 积之间的比例系 数。
• 1 lx即指1 lm的光
通量平均分布在 面积lm2平面上 的明亮度。
6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP
半导体照明产业技术的发展历程
第一讲半导体照明产业技术的发展历程LED产业的发展是和半导体技术以及照明光源技术发展紧密相关的.根据LED技术不同发展阶段，从其应用发展来看,LED产业的发展历程依次可分为大致以下几个阶段：1。
――指示应用阶段;2. ――信号、显示应用阶段；3。
――照明应用阶段。
1965年,全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料作成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元.其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。
这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
1968年,LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
到了1971年，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。
80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发红光,这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位刹车灯（CHMSL)设备。
1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术,这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍.当今，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。
在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
1994年，中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二级管,由此人们看到了白光LED的曙光以及GaN基LED广阔的市场前景和巨大商机，也由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。
GaN基LED迅速发展，并逐渐进入到应用市场领域。
蓝光LED的出现大大加速了大屏幕显示应用，从20世纪90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏幕显示。
在紫外和蓝光技术上的突破使得另外一种生成白光的技术成为可能，即在单枚LED上通过蓝光激发荧光粉，生成白光，20世纪90年代后期制成了第一只这样的LED。
半导体照明技术
半导体照明技术半导体照明技术是一种以半导体材料作为发光源的照明方式，它将电能转化为光能，具有高效节能、环保、寿命长等优点，被广泛应用于室内照明、户外照明、汽车照明等领域。
半导体照明技术的核心是发光二极管（LED），它是一种基于固体半导体物理特性的半导体器件。
相比传统的白炽灯和荧光灯，LED具有更高的发光效率，更低的功耗和更长的寿命。
首先，LED照明技术的发光效率高达80-90%，相比于传统的白炽灯仅有10%的效率，可实现更高的亮度输出。
其次，LED照明技术的功耗较低，因为它只需要很少的电能就能产生明亮的光线，相较之下，传统的白炽灯和荧光灯产生光线时需要消耗大量的电能。
最后，LED灯的寿命长达数万小时，而传统的白炽灯和荧光灯一般只有数千小时的寿命，因此在使用寿命上，LED照明技术更加持久可靠。
除此之外，半导体照明技术还具备其他一些优点。
首先，LED灯是固态光源，不含汞等有害物质，在使用和废弃的过程中不会对环境造成污染。
相比于荧光灯和日光灯等传统光源，LED灯更加环保。
其次，LED照明技术具备快速开关特性，可以通过洛伦兹的光学开关实现高速调光和快速闪烁，因此可以被广泛应用于广告、汽车灯光、信号灯等需要频繁调光和快速闪烁的领域。
此外，半导体照明技术具有发光均匀、可远程控制、体积小等特点，方便安装和应用。
然而，半导体照明技术仍然存在一些挑战和问题。
首先，LED灯的成本相对较高，尤其是高亮度的LED灯。
虽然随着技术的进步，LED灯的成本正在逐渐下降，但仍然存在一定的差距。
其次，LED灯的光线色彩和色温需要进一步改良。
随着人们对光环境的要求不断提高，LED灯的光线质量也需要持续改进。
此外，由于LED灯在制造和使用过程中需要较高的技术要求，缺乏相关专业技术人才也是一个亟待解决的问题。
为了克服这些问题，我们需要持续加大对半导体照明技术的研究和发展，进一步提高LED灯的发光效率、降低成本、改良光线品质。
同时，应加强对相关专业技术人才的培养和引进，吸引更多的人才加入到半导体照明技术的研究和应用中来。
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半
导
体
照
明
技
术
第四节
异质结构
异质结是由两块不同带隙能量的单晶半导体连接而成的。 异质结分为同型（n-n或p-p）和异型（p-n）异质结两种。理 想异质结的界面是突变的，实际的异质结存在一个缓变区，虽 然很小，不足10μ m，但会改变一些异质结的特性，却不会破 坏有用性质。 理想的异质结是由晶格参数失配很小（小于0.1%的）的 材料制成，在发光器件中有如下作用： 1、同型异质结可以由透明的（带隙较高）导电衬底和包含器 件的有源区的外延层构成。 2、同型异质结能够提供一个很靠近有源区的透明层，以降低 如果采用一个自由表面时的表面复合速度。起钝化作用。
E
I
p型 n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动， 也不利于电子向P区运动， 没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。 但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
半
导
体
照
明
技
术
PN结正偏时，呈现低电阻，
具有较大的正向扩散电流；
IF
PN结反偏时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
4、P型化合物半导体
例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成 受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。
半
导
体
照
明
技
术
二、PN结及其特性
（一）PN结的形成
N型半导体和P型半导体的结合面上
由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的 空穴向Ｎ区扩散，在交界面附近产生
P型
N型
了一个电场，称为内建场。内建场阻
二、辐射型复合， 1、直接跃迁和间接跃迁
在导带底的电子落到满带，与空穴复合时，最初的状态和最 后的状态的能量差以光的形式辐射。分为直接跃迁型和间接跃迁 型。
半
导
体
照
明
技
术
对于直接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν ，则：
hv E1 E2
对于间接跃迁型辐射，如果辐射光的频率为ν ，则：
hv E1 E2 K
三、非辐射型复合
1、阶段地放出声子的复合 作为半导体发光材料，从发光波长来考虑，禁带宽度必须在 1eV以上，而声子的能量在0.06eV左右，导带的电子落入满带时, 电子的能量假如全部生成声子，则必须有20个以上的声子生成， 这么多的声子同时生成的概率几乎等于零。因此，声子也就阶段 性地产生。
半
2、俄歇过程
最后,多子的扩散和少子的漂移达
止电子和空穴进一步扩散，记作 E阻 。
到动态平衡。对于P型半导体和N型半 导体结合面，离子薄层形成的空间电 荷区称为PN结。在空间电荷区，由于 缺少多子，所以也称耗尽层。
E阻
P-N结
半
导
体
照
明
技
P-N结
术
2、PN结处存在电势差Uo。
电势曲线
它阻止P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散；
未饱和共价键，则电子空 穴成对消失，称为复合。
本征激发和复合的过程
半
导
体
照
明
技
术
（四）杂质半导体
1、N型半导体 四价的本征半导体(Si、Ge等)，掺入少量五价的杂质元素(如 P、As等)形成电子型半导体，称N型半导体。也称电子型半导体。
因五价杂质原子中只
有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子 形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚
半
导
体
照
明
技
术
第四章
半导体的激发与发光
半导体发光二极管能将电能直接转变为光能。其原理是电 能造成比热平衡时更多的电子和空穴，同时，由于复合而减
少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光
的形式放出。 本章主要介绍PN结及其特性、注入载流子的复合、异质结 构等内容。
半
导
体
照
明
技
术
第一节 半导体PN结及其特性
半
导
体
照
明
技
术
3、同型异质结能形成限制载流子的势垒来有效地缩短载流 子的扩散长度，从而缩短复合区。
4、异型异质结可通过改变两侧带隙能量的相对大小来提高 电子或者空穴的注入效率。
5、同型或异型异质结提供一个折射率突变，从而形成一个 光波导的界壁。 6、同型异质结可以在金属接触的表面提供一层带隙能量小 的材料，有助于制作欧姆接触。
E
p型 n型
I
E阻
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向 P区运动，形成正向电流(mＡ级)， PN结表现为小电阻。
半
导
体
照
明
技
术
I （毫安）
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管)。
３０
正向
２０
１０
（伏） V
0
0.2
1.0
半
导
体
照
明
技
术
（２） 反向偏压 在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
半
2、空穴
导
体
照
明
技
术
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一
个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与 电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 3、电子空穴对
因热激发而出现的自
由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。
游离的部分自由电子落入
反 偏
由此可以得出结论：PN结具 有单向导电性。
IR
I F I R
半
导
体
照
明
技
术
2、PN结的反向击穿特性
当加到PN结上 的反向电压增大到 某个数值时，反向 电流急剧增加，这 种现象称为PN结的 反向击穿。
击穿电压
I （微安） -30 -20
V(伏)
-１０
反向
-２０
-３０
半
导
体
照
明
技
术
（1）电击穿（可逆） 齐纳(Zener)击穿： 较强的内电场将空间电荷区共价键中的价电子拉出。产 生大量的电子空穴对，使空间电荷区的高阻性变差而击穿。 掺杂浓度高易击穿。 雪崩击穿：
半
导
体
照
明
技
术
第三节 辐射与非辐射复合之间的竞争
少数载流子既可辐射复合也可非辐射复合，二者之间的竞
争决定了发光二极管的内量子效率。
i
1 N t 0 p Et E L 1 exp N I n KT
由式可见，发光中心密度大，非辐射复合中心密度小，发光中 心浅、自由电子密度越大，则内量子效率越高。
电子能级
U0
也阻止N区 带负电的电子进 一步向P区扩散。
eU 0
电子电势能曲线
半
导
体
照
明
技
术
3、由于PN结的存在，电子的能量应考虑到势垒带来的附加 势能，使电子能带出现弯曲。
p-n结 空带
eU0
空带
施主能级
受主能级 满带
满带
半
导
体
照
明
技
术
（二）PN结的特性
1、ＰＮ结的单向导电性 （１） 正向偏压 在ＰＮ结的P型区 接电源正极，N型 区接负极叫正向 偏压。
式中，Kθ 为声子的能量，也就是晶格振动的热能。
注：声子就是晶格振动的简正模能量量子。
半
导
体
照
明
技
术
2、通过杂质能级的复合 首先含有杂质的半导体在常温附近大部分的杂质被离子化, 在空的杂质能级上导带的电子被俘获；其次，必须使杂质的能 级俘获的电子再吸收热能，在回到导带之前和空穴复合。 3、相邻能级的复合
C j C0 (1
V
V
)
1 2
在缓变结的情况下：
C j C0 (1
)
1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
半
导
体
照
明
技
术
第二节
一、复合的种类
注入载流子的复合
复合分为两大类，一个是伴随光的辐射的复合(辐射型复合)； 一个是不伴随光辐射的复合(非辐射型复合)。前者是由于空穴和 电子的复合以光能的形式辐射能量，即对发光二极管来说是有用 的复合，不伴随光辐射的复合对发光二极管来说是有害的复合。
为空穴型半导体。因三价杂
质原子在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电子而在
共价键中留下一个空穴。
P型半导体的结构示意图
半
导
体
照
明
技
术
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子，三价杂质因
而也称为受主杂质。 3、N型化合物半导体 例如，化合物GaAs中掺Te(碲 )，六价的Te替代五价的As可 形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。
电子的波动函数跨越两个能级，引起电子的跃迁，这样两
个能级间的能量差以光的形式辐射出来。 4、激子复合 （1）激子：激子是库仑引力束缚在一起的电子—空穴对，也 是一种激发的能量状态。自由激子能在晶体内部运动，而束缚
激子则可受到施主、受主、等电子陷阱、晶体缺陷等的束缚。
半
导
体
照
明
技
术
（2）在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子和能自由 地在晶体中运动的电子外，还有处于它们中间能量的固定在格子 上的电子，这就是处于激发态的电子，随之与空穴产生空穴—电 子对，这个激子就可因扩散而转移到另一个原子上去。这个带有 能量的电子—空穴对由于复合释放出能量，以光的形式向外辐射。 （如GaP发红光、绿光）