1、2022-4-291第七章第七章 信息显示材料与器件信息显示材料与器件2022-4-292v发光机理和发光特性发光机理和发光特性v显示器件的主要参量显示器件的主要参量v发光显示材料发光显示材料v受光显示材料受光显示材料v光电显示材料前景光电显示材料前景2022-4-293一、发光机理及发光特性一、发光机理及发光特性1. 发光机理发光机理根据发光机理的不同，发光过程可以分为两类，根据发光机理的不同，发光过程可以分为两类，即即分立发光分立发光和和复合发光复合发光。分立发光分立发光：发光中心受激发时并未离化，即激发和发射发光中心受激发时并未离化，即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的
2、发光。过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。特点特点：单分子过程，并不伴随着光电导，又称单分子过程，并不伴随着光电导，又称“非光电非光电导型导型”发光发光。分立发光又分为分立发光又分为自发发光自发发光和和受迫发光受迫发光。2022-4-294自发发光自发发光受迫发光受迫发光自发发光自发发光：受激发的粒子（如电子）在粒子内部电场作受激发的粒子（如电子）在粒子内部电场作用下从激发态回到基态时的发光。其粒子跃迁的几率基本用下从激发态回到基态时的发光。其粒子跃迁的几率基本上决定于发射体内的电场，而不受外界因素影响。上决定于发射体内的电场，而不受外界因素影响。受迫发光受迫发光：受激发的粒子（如
3、电子）在外界因素的影响下受激发的粒子（如电子）在外界因素的影响下的发光。其需要经过一个成为亚稳态的中间过程才能发光。的发光。其需要经过一个成为亚稳态的中间过程才能发光。2022-4-295复合发光复合发光发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子（一般为正离子或者空穴和电子），这两种子（一般为正离子或者空穴和电子），这两种粒子复合时的发光。粒子复合时的发光。由于离化的带电粒子在发光材料中由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以又称从而构成特征性光电导，所以又称“光电导型光电导型”发光。发光。单分子过程单分子过程双分子
4、过程双分子过程电子在导带中停留的时间较短（电子在导带中停留的时间较短（10-10s）电子在导带中停留的时间较长电子在导带中停留的时间较长2022-4-2962. 发光特点发光特点2.1 颜色特征颜色特征不同的发光中心，在不同的基质材料中，可能发出不同波不同的发光中心，在不同的基质材料中，可能发出不同波长的光。已知的发光材料可以覆盖整个可见光的范围。长的光。已知的发光材料可以覆盖整个可见光的范围。吸收光谱吸收光谱和和发射光谱发射光谱表征发光材料特性的常用方法。表征发光材料特性的常用方法。吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对
5、应波长。发射光谱反映发光材的波长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一般说来其波长大于吸收光谱的波长。般说来其波长大于吸收光谱的波长。Zn2SiO4：Mn的发射光谱和吸收光谱的发射光谱和吸收光谱2022-4-297宽带材料：半宽度宽带材料：半宽度100nm，如，如CaWO4窄带材料：半宽度窄带材料：半宽度50nm，如，如Sr(PO4)3Cl：Eu3+线谱材料：半宽度线谱材料：半宽度0.1nm，如，如GdVO4：Eu3+依照发射依照发射峰半宽度峰半宽度发光材料究竟属于哪一类，发光材料究竟属于哪一类
6、，既与既与基质基质有关，又与有关，又与杂质杂质有关。有关。例如，将例如，将EuEu2+2+掺杂在不同的基掺杂在不同的基质中，可以得到上述质中，可以得到上述3 3种类型的种类型的发光材料，而且随着基质的改发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。变，发光的颜色也可以改变。半宽度发射峰的半宽度发射峰的半宽度2022-4-2982.2 发光强度发光强度发光效率发光效率表征材料的发光本领。其大小与表征材料的发光本领。其大小与激发强度有关。可以用激发强度有关。可以用量子效率、能量效率量子效率、能量效率和和光度效率（流明效率）光度效率（流明效率）来表示材料发光效率的来表示材料发光效率的高低。高低
7、。量子效率：量子效率：发光量子数与激发源输入的量子数之比。发光量子数与激发源输入的量子数之比。能量效率：能量效率：发光的能量与激发源输入的能量之比。发光的能量与激发源输入的能量之比。光度效率：光度效率：发光的流明数与激发源输入的能量之比。发光的流明数与激发源输入的能量之比。2022-4-2992.3 发光持续时间（余辉）发光持续时间（余辉）荧光荧光：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。余辉时
8、间余辉时间：当激发停止后，发光强度衰减到：当激发停止后，发光强度衰减到10%所经历的时间。所经历的时间。极短余辉：余辉时间极短余辉：余辉时间1s的发光的发光2022-4-2910 美国的美国的“9.11”事件中，由于世贸中心大楼内采用了蓄光事件中，由于世贸中心大楼内采用了蓄光型自发光材料，使型自发光材料，使1.8万人得以迅速撤离，在国际上引了极大万人得以迅速撤离，在国际上引了极大的轰动。该材料具有吸光、蓄光、发光的性能，吸收各种可的轰动。该材料具有吸光、蓄光、发光的性能，吸收各种可见光见光10-20分钟，即可在黑暗中连续发光分钟，即可在黑暗中连续发光12小时以上，其发光小时以上，其发光亮度和发
9、光时间是传统荧光型材料的亮度和发光时间是传统荧光型材料的30-50倍，可广泛地适用倍，可广泛地适用于建筑、装饰、交通运输、军事设施、消防应急、工业、日于建筑、装饰、交通运输、军事设施、消防应急、工业、日用品、工艺品等领域。用品、工艺品等领域。 2022-4-2911常用的发光材料都是常用的发光材料都是二元或者多元化合物二元或者多元化合物。-：ZnS、ZnO、（、（Cd，Zn）S、Zn（S，Se）等）等 紫外光、电子束、电场、紫外光、电子束、电场、X射线或带电粒子激发射线或带电粒子激发-：GaAlP、GaAlAs、GaP： 发光二极管发光二极管 GaN： 结型场致发光结型场致发光碱卤化合物碱卤化
10、合物：NaI：Tl、CsI：Tl、LiI：Eu 用于闪烁体用于闪烁体氧化物氧化物： Y2O3：Eu氟化物氟化物： MgF2、ZnF2硫氧化物硫氧化物：Y2O2S：Eu 用于电子束管用于电子束管钨酸盐钨酸盐： MgWO4硅酸盐硅酸盐： CaSiO3：Pb，Mn 2022-4-2912对于发光材料，要想得到有效的发光材料，对于发光材料，要想得到有效的发光材料，都要在这些材料中都要在这些材料中掺杂微量杂质掺杂微量杂质。基质为基质为半导体半导体，需要一定的导电能力，应从，需要一定的导电能力，应从施施主、受主的角度主、受主的角度选择杂质。掺杂的杂质在复合选择杂质。掺杂的杂质在复合发光中发挥作用。发光中发
11、挥作用。基质为基质为高阻半导体或绝缘体高阻半导体或绝缘体，需要从，需要从发光中心发光中心的角度的角度选择杂质。掺杂的杂质包括过渡族元素、选择杂质。掺杂的杂质包括过渡族元素、类汞元素、重金属及稀土元素。类汞元素、重金属及稀土元素。2022-4-2913二二.显示器件的主要参量显示器件的主要参量v由于显示器件可用来重现图像图形、显示信号波由于显示器件可用来重现图像图形、显示信号波形和参数，因此对显示器件来说最重要的是形和参数，因此对显示器件来说最重要的是显示显示彩色图像的质量。彩色图像的质量。vCRT显示器显示器高的性价比和高性能的图像质量高的性价比和高性能的图像质量 LCD和和PDP等平板显示器
12、因不断下降的价格和提等平板显示器因不断下降的价格和提高的图像质量占据了越来越多的市场份额。高的图像质量占据了越来越多的市场份额。2022-4-29141.亮度亮度v亮度亮度指垂直于光束传播方向上的单位面积指垂直于光束传播方向上的单位面积上的发光强度。单位是坎德拉每平方米上的发光强度。单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。）。 显示器件画面亮度的要求与环境光强有关。显示器件画面亮度的要求与环境光强有关。例如，电影院中电影亮度要有例如，电影院中电影亮度要有3045cd/m2；室内电视则要大于室内电视则要大于70cd/m2；室外观看则要；室外观看则要求画面亮度应达到求画面亮度应达到300cd/m2。所
13、以对高质量。所以对高质量显示器亮度的要求应为显示器亮度的要求应为300cd/m2。2022-4-29152.对比度和灰度对比度和灰度v对比度对比度：画面上最大亮度（：画面上最大亮度（Lmax）和最小亮）和最小亮度（度（Lmin）之比。）之比。minmaxLLC v好的图像显示要求显示器的对比度至少要好的图像显示要求显示器的对比度至少要大大于于30，这是在普通观察环境光下的数据。而，这是在普通观察环境光下的数据。而主动显示器的对比度比被动显示器的高。主动显示器的对比度比被动显示器的高。2022-4-2916v灰度灰度：画面上亮度的等级差别。以亮度：画面上亮度的等级差别。以亮度 倍发光强度的变化划
14、分等级。倍发光强度的变化划分等级。2v日常生活中，一般照片、图像的最大灰度日常生活中，一般照片、图像的最大灰度不过不过100左右，在电视技术中，用左右，在电视技术中，用10个灰度个灰度级来表示。通常电视接收机所重现的图像级来表示。通常电视接收机所重现的图像能达到能达到78个灰度就足够了。灰度级越多，个灰度就足够了。灰度级越多，图像层次越分明，图像越柔和。图像层次越分明，图像越柔和。v图像显示需要灰度级别，字码、图表、图图像显示需要灰度级别，字码、图表、图形只需有较高的对比度即可。形只需有较高的对比度即可。 2022-4-29173.分辨率分辨率v分辨率分辨率 显示器在显示图像时，分辨率用点来显
15、示器在显示图像时，分辨率用点来衡量，显示器上这个衡量，显示器上这个“点点”就是像素就是像素(pixel)。显示分辨率的数值是指整个显示器所有可视显示分辨率的数值是指整个显示器所有可视面积上水平像素和垂直像素的数量。例如面积上水平像素和垂直像素的数量。例如800600的分辨率，是指在整个屏幕上水平的分辨率，是指在整个屏幕上水平显示显示800个像素，垂直显示个像素，垂直显示600个像素。个像素。v只有兼备只有兼备高分辨率高分辨率、高亮度高亮度和和高对比度高对比度的图的图像才可能是高清晰的图像，所以上述三个指像才可能是高清晰的图像，所以上述三个指标是获得高质量图像显示所必不可少的。标是获得高质量图像
16、显示所必不可少的。2022-4-29184.响应时间、余辉时间响应时间、余辉时间v响应时间响应时间是指从施加电压到出现图像显示的是指从施加电压到出现图像显示的时间，又称上升时间。从切断电源到图像显时间，又称上升时间。从切断电源到图像显示消失的时间称为下降时间，又称示消失的时间称为下降时间，又称余辉时间余辉时间。v电视图像显示时需要小于电视图像显示时需要小于1/30s的响应时间，的响应时间，而响应时间和余辉时间加起来小于而响应时间和余辉时间加起来小于50ms。一。一般般主动发光型显示主动发光型显示器件的响应时间都可小于器件的响应时间都可小于0.1ms，而，而非主动发光型非主动发光型的的LCD显示
17、器件的响显示器件的响应时间为应时间为4500ms。2022-4-29195.显示颜色显示颜色v显示颜色显示颜色分分黑白黑白、单色单色、多色多色和和全色全色四类。四类。v大部分发光型平板显示器实现红光和绿光比大部分发光型平板显示器实现红光和绿光比较容易，但在实现彩色显示中必不可少的蓝较容易，但在实现彩色显示中必不可少的蓝光显示就会遇到很大的困难。如高效率的蓝光显示就会遇到很大的困难。如高效率的蓝光光LED近几年才研制成功，而高效率的蓝光近几年才研制成功，而高效率的蓝光EL却迟迟未能开发出来，影响了它的使用。却迟迟未能开发出来，影响了它的使用。非发光型的非发光型的LED则是在黑白显示屏上附加滤则是
18、在黑白显示屏上附加滤色膜后实现彩色显示的。色膜后实现彩色显示的。2022-4-29206.发光效率发光效率v发光效率发光效率是发光型显示器件所发出的光通量是发光型显示器件所发出的光通量与器件所消耗功率之比，单位为与器件所消耗功率之比，单位为lm/W。vVFD的发光效率为的发光效率为10 lm/W；LED随材料的随材料的不同为不同为14 lm/W；OLED为为15 lm/W；PDP的发光效率为的发光效率为1 lm/W；其它主动发光型显示；其它主动发光型显示器件的发光效率只有器件的发光效率只有0.1 lm/W量级。量级。2022-4-29217.其它参数其它参数v显示器件的其它参数还有显示器件的其
19、它参数还有寿命寿命、体积体积、重量重量、显示面积显示面积、观察视角观察视角及及性能价格比性能价格比等。等。2022-4-2922各种光电显示器件性能比较各种光电显示器件性能比较2022-4-2923三三. .发光显示材料发光显示材料电子束激发的发光材料电子束激发的发光材料阴极射线管阴极射线管CRTFED发光材料发光材料真空荧光显示真空荧光显示VFD电场激发显示材料电场激发显示材料电致发光材料电致发光材料EL发光二极管发光二极管LED等离子体显示（等离子体显示（PDP）材料）材料2022-4-29241.1. 18581858年，盖斯勒在自制的玻璃管中阴极和阳极之间发现年，盖斯勒在自制的玻璃管中
20、阴极和阳极之间发现了稀薄气体放电现象。了稀薄气体放电现象。 2.2. 18751875年，克鲁克斯经过几年的实验，证明阴极射线是由年，克鲁克斯经过几年的实验，证明阴极射线是由粒子组成的。粒子组成的。 3.3. 18921892年，舒斯特做了阴极射线实验，证实了阴极射线是年，舒斯特做了阴极射线实验，证实了阴极射线是由带负电的粒子组成的。由带负电的粒子组成的。 阴极射线的本质阴极射线的本质4. 18974. 1897年，英国年，英国汤姆逊测出阴极射线粒子的电荷与质量的汤姆逊测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，并且把射线中的粒子定名为电子比值，并且把射线中的粒子定名为电子发现电子。发现电子。1. 阴
21、极射线管阴极射线管CRT2022-4-2925阴极射线致发光过程阴极射线致发光过程u电离过程电离过程 高能电子束激发发光材料时，基质高能电子束激发发光材料时，基质晶体吸收激发能，引起基质价带或者满带电子晶体吸收激发能，引起基质价带或者满带电子的电离；的电离；u电子和空穴的输运过程电子和空穴的输运过程 产生的电子和空穴分产生的电子和空穴分别在晶体中扩散输运；别在晶体中扩散输运；u电子空穴对复合发光过程电子空穴对复合发光过程2022-4-2926v电子枪电子枪v聚焦系统聚焦系统v加速电极加速电极v偏转系统偏转系统v荧光屏荧光屏工作原理工作原理：在电子枪中，：在电子枪中，阴极被灯丝间接加热至约阴极被
22、灯丝间接加热至约2000 K时，阴极发射大时，阴极发射大量的电子，经加速、聚焦、量的电子，经加速、聚焦、偏转后轰击荧光屏上的荧偏转后轰击荧光屏上的荧光粉，发出可见光。电子光粉，发出可见光。电子束的电流受显示信号控制，束的电流受显示信号控制，信号电压高，电子束电流信号电压高，电子束电流也越高，荧光粉发光亮度也越高，荧光粉发光亮度也越高。也越高。2022-4-2927CRT荧光粉荧光粉 CRT荧光粉有上百种，一般具有高的发光效率和各种各荧光粉有上百种，一般具有高的发光效率和各种各样的发射光谱。制备样的发射光谱。制备CRT发光材料的原材料要求具有发光材料的原材料要求具有较高的较高的纯度纯度。即使有害
23、杂质的含量极小，也会使发光性能有明显变。即使有害杂质的含量极小，也会使发光性能有明显变化。例如，化。例如，Fe、Co、Ni、Mn质量分数不超过质量分数不超过110-7，Cu的质量分数不超过的质量分数不超过510-8。荧光粉由荧光粉由基质基质、激活剂激活剂和和助溶剂助溶剂组成。组成。荧光粉基质可分为：荧光粉基质可分为： 氧化物：氧化物：ZnO：Zn 硫化物：硫化物：ZnS：Cu，Al；CdS 硅酸盐：硅酸盐：Zn2SiO4：Mn2+ 钨酸盐：钨酸盐：CaWO4 稀土化合物：稀土化合物：Y2O3；YGdO2S：Tb为降低基质结晶温度，为降低基质结晶温度，促进晶体形成和长大，促进晶体形成和长大，并使
24、激活剂易于进入并使激活剂易于进入晶格中而加入的物质。晶格中而加入的物质。往往不含在最终产品往往不含在最终产品中。中。杂杂 质质v 激活剂激活剂：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料发光，如发光很微弱的材料发光，如ZnS: Agv共激活剂共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质，掺入后有利于发：与激活剂协同激活基质的杂质，掺入后有利于发光中心的形成，称为共激活剂，如光中心的形成，称为共激活剂，如ZnS：Cu，Alv敏化剂敏化剂：能够将所吸收的能量传给发光中心，有助于激活剂：能够将所吸收的能量传给发光中心，有助于激活剂引起的发光，使
25、发光亮度增加，称为敏化剂，如引起的发光，使发光亮度增加，称为敏化剂，如YF3：Yb，Erv猝灭剂猝灭剂：损害发光性能，使发光强度降低的杂质。如：损害发光性能，使发光强度降低的杂质。如Fe、Co、Ni等等v惰性杂质惰性杂质：对发光性能影响较小，对发光亮度和颜色不起直：对发光性能影响较小，对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质，如碱金属、碱土金属等。接作用的杂质，如碱金属、碱土金属等。2022-4-2929制备工艺制备工艺 （以（以Y2O3:Eu为例）按分子式（为例）按分子式（Y0.96Eu0.04）2O3配好料，与适量助熔剂（配好料，与适量助熔剂（NH4Cl，Li2SiO3）混磨均）混磨均匀，装入石
26、英坩埚或者氧化铝坩埚中，在匀，装入石英坩埚或者氧化铝坩埚中，在1340下下灼烧灼烧12h，高温出炉，冷至室温，在，高温出炉，冷至室温，在253.7nm紫外紫外光激发下选粉，用去离子水洗至中性，然后包膜处光激发下选粉，用去离子水洗至中性，然后包膜处理。理。CRT典型发光粉特性典型发光粉特性2022-4-29312. FED发光材料发光材料发光机理发光机理：属于电子射线激发发光（阴极发光）。：属于电子射线激发发光（阴极发光）。将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上，通将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上，通过电场使电子发射到真空中（过电场使电子发射到真空中（FED由此而来，这由此而来，这种阴极称
27、为种阴极称为冷阴极冷阴极）。）。FED把无数微米尺寸的微把无数微米尺寸的微小阴极（发射极）配置在平面上，阴极和阳极之小阴极（发射极）配置在平面上，阴极和阳极之间的间隔为间的间隔为200微米至几毫米左右，从而最终实微米至几毫米左右，从而最终实现平板显示。现平板显示。特点特点：图像质量好，耗能低，体积薄，亮度高。：图像质量好，耗能低，体积薄，亮度高。FED基本结构基本结构2022-4-2933项目项目CRTFED阴极类型阴极类型热阴极热阴极冷阴极冷阴极加速电压加速电压1530kV3008000V扫描方式扫描方式逐点扫描逐点扫描矩阵式逐行扫描矩阵式逐行扫描寻址时间寻址时间ns量级量级几十几十s202
28、2-4-2934FED发光材料发光材料FED采用矩阵式逐行扫描方式，寻址时间较长采用矩阵式逐行扫描方式，寻址时间较长（几十微秒），使发光粉库仑负载较大，容易（几十微秒），使发光粉库仑负载较大，容易发光饱和并老化。发光饱和并老化。满足满足FED使用条件的荧光粉：使用条件的荧光粉：ZnO:Zn、ZnCa2O4（蓝光）、（蓝光）、ZnCa2O4:Mn（绿粉）、（绿粉）、Gd2O2S:Tb（绿粉）、（绿粉）、Y2O2S:Eu（红粉）。（红粉）。缺点：缺点：亮度偏低，开发新型亮度偏低，开发新型FED发光粉成为当发光粉成为当务之急。务之急。2022-4-29353. 真空荧光显示（真空荧光显示（VFD）V
29、FD(vacuum fluorescence display)是是1967年由伊势电子工业公司开发的光电显示器件，年由伊势电子工业公司开发的光电显示器件，它是它是以数十伏电压的、低速的数十毫安的电子以数十伏电压的、低速的数十毫安的电子流激发荧光体流激发荧光体。用途用途：作为文字和数字的显示器件，用于家电：作为文字和数字的显示器件，用于家电产品、产品、AV产品、车载设备和测试设备等方面。产品、车载设备和测试设备等方面。2022-4-2936VFD基本结构基本结构1-表面玻璃；表面玻璃；2-阴极；阴极；3-栅极；栅极；4-荧光体；荧光体；5-阳极；阳极；6-玻璃衬底玻璃衬底基本原理：基本原理：当对
30、涂有氧当对涂有氧化材料的阴极加热时，化材料的阴极加热时，它在近它在近650度时发射热电度时发射热电子，热电子被金属网栅子，热电子被金属网栅加速后，再轰击阳极的加速后，再轰击阳极的荧光物质发光。荧光物质发光。结构结构：玻璃面板：玻璃面板 阴极阴极 栅极栅极 阳极（涂荧光物质）阳极（涂荧光物质） 玻璃衬底玻璃衬底2022-4-2937灯丝：灯丝：直径为直径为1020m的钨丝用热电子发射率的钨丝用热电子发射率 高的氧化物涂覆高的氧化物涂覆栅极：栅极：开孔度大的筛网状极薄不锈钢板开孔度大的筛网状极薄不锈钢板荧光材料：荧光材料：ZnO：Zn（蓝绿色）（蓝绿色）2022-4-29384.电致发光材料电致发
31、光材料EL无机电致发光材料无机电致发光材料有机电致发光材料有机电致发光材料粉末发光材料粉末发光材料薄膜发光材料薄膜发光材料发光二极管发光二极管2022-4-2939无机电致发光材料无机电致发光材料在直流或者交流电场作用下，依靠电流和电场在直流或者交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称的激发使材料发光的现象，又称场致发光场致发光。相。相应的材料称为应的材料称为电致发光（场致发光）材料电致发光（场致发光）材料。v1920年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光，人们把这种现象称为电致发光或场致发光会发光，人们把这种现象称为电
32、致发光或场致发光（EL）。）。v1936年，德斯垂将年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。荧光粉便能发出明亮的光。v1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。v70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（TFT）技术的发展场致发光（技术的发展场致
33、发光（EL）在寿命、效率、亮度、存储）在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高。使得场致发光（上的技术有了相当的提高。使得场致发光（EL）成为在）成为在显示技术中最有前途的发展方向之一。显示技术中最有前途的发展方向之一。 2022-4-2940v电致发光（电致发光（ELEL）按激发过程的不同分为两大类：）按激发过程的不同分为两大类：本征型电致发光本征型电致发光：荧光粉中的电子或由电极注：荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光
34、。回复到基态时辐射发光。注入式电致发光注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是致发光的基本结构是结型二极管（结型二极管（LEDLED）；2022-4-2941v第一类大致分成：第一类大致分成：交流薄膜电致发光（交流薄膜电致发光（ACELACEL）; ;直流薄膜电致发光（直流薄膜电致发光（DCELDCEL）; ;交流粉末电致发光（交流粉末电致发光（ACTFELACTFEL）; ;直流粉末电致发光
35、（直流粉末电致发光（DCTFELDCTFEL）。）。2022-4-2942交流高场薄膜电致发光（交流高场薄膜电致发光（TFELTFEL）ACTFEL结构示意图结构示意图1 金属电极金属电极 ：Al2 绝缘层绝缘层 ： Y2O33 发光层发光层 ： ZnS：Mn4 绝缘层绝缘层 ： Y2O35 透明电极：透明电极： ITO6 玻璃衬底玻璃衬底2022-4-2943v目前的目前的ACTFELACTFEL多采用双绝缘层多采用双绝缘层ZnS:MnZnS:Mn薄膜结构。薄膜结构。器件由三层组成，如图所示。器件由三层组成，如图所示。v器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起器件由三层组成，发光层夹在两绝缘
36、层间，起消消除漏电流除漏电流与与避免击穿避免击穿的作用。的作用。v掺不同杂质则发不同的光，其中掺掺不同杂质则发不同的光，其中掺MnMn的发光效率的发光效率最高，加最高，加200V200V，5000Hz5000Hz电压时，亮度高达电压时，亮度高达5000cd/m5000cd/m2 2。2022-4-2944vACTFELACTFEL优点优点是是寿命长寿命长（大于（大于2 2万小时），万小时），亮度高亮度高，工作温度宽工作温度宽（-55-55+125+125） 缺点缺点是只有掺是只有掺MnMn的发光效率高，且为橙黄色。对的发光效率高，且为橙黄色。对全色显示要求的三基色，研制高效的发光材料是全色显示
37、要求的三基色，研制高效的发光材料是当今研究的课题。当今研究的课题。vELEL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCDLCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。指示牌上的发光显示器件。2022-4-2945交流粉末电致发光交流粉末电致发光ACEL结构图2022-4-2946v交流电致发光是目前高场电致发光的主流。交
38、流电致发光是目前高场电致发光的主流。ACELACEL结构如图所示。结构如图所示。v它是将电致发光粉它是将电致发光粉ZnS:CuZnS:Cu，ClCl或或（ZnZn，CdCd）S:CuS:Cu，BrBr混合在有机介质（混合在有机介质（环氧树脂和氰乙基醣的混合环氧树脂和氰乙基醣的混合物物）中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。）中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个ELEL。v实质上，实质上，ACELACEL是大量几微米到几十微米的发光粉是大量几微米到几十微米的发光粉状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称状晶体悬浮在绝缘介质中
39、的发光现象，也称德斯德斯垂效应垂效应。ACELACEL所加的电压通常为数百伏。发光强所加的电压通常为数百伏。发光强度可达度可达3.43.410105 5cd/mcd/m2 2，总体发光亮度约，总体发光亮度约40cd/m40cd/m2 2功率转换效率为功率转换效率为1%1%，寿命约，寿命约10001000小时。小时。 2022-4-2947几种电致发光粉特性2022-4-2948发光二极管发光二极管（Light-Emitting DiodeLight-Emitting Diode，LEDLED） 是一种半导体固体发光器件。它是利用是一种半导体固体发光器件。它是利用固体固体半导体芯片半导体芯片作为
40、发光材料，在半导体中通过的载作为发光材料，在半导体中通过的载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，发出某种颜色的光或者白光。发出某种颜色的光或者白光。LEDLED照明产品就是照明产品就是利用利用LEDLED作为光源制造出来的照明器具。作为光源制造出来的照明器具。 发光二极管发光二极管LED2022-4-2949LEDLED发光原理发光原理 发光二极管一般由发光二极管一般由-族化合物，族化合物，如如GaAs（砷化镓）、（砷化镓）、GaP（磷化镓）、（磷化镓）、GaAsP（磷砷镓）等半导体制成的，其（磷砷镓）等半导体制成的，其核心是核心是PN结结。因此
41、它具有一般。因此它具有一般PN结结的的特性，即特性，即正向导通、反向截止、击穿特正向导通、反向截止、击穿特性性。此外，在一定条件下，它还具有。此外，在一定条件下，它还具有发发光特性光特性。在正向电压下，电子由。在正向电压下，电子由N区注区注入入P区，空穴由区，空穴由P区注入区注入N区。进入对方区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如右图数载流子（多子）复合而发光，如右图所示。所示。2022-4-2950 假设发光是在假设发光是在P区中发生的，那么区中发生的，那么注入的电子与价带空穴注入的电子与价带空穴直接复合而发光直接复合而
42、发光，或者，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光光。除了这种发光复合外，还。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，而有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面结面数数m以内产生。以内产生。 理论和实践证明，光的理论和实践证明，光的峰值波长峰值波长与发
43、光区域的半导体与发光区域的半导体材材料禁带宽度料禁带宽度有关，即有关，即 1240/Eg（nm）式中式中Eg的单位为电子伏特（的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在）。若能产生可见光（波长在380nm紫紫光光760nm红光），半导体材料的红光），半导体材料的Eg应在应在3.261.63eV之间。比红光波长之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。2022-4-2951LEDLED优点优点v高节能高节能：直流驱
44、动，超低功耗（单管：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 0.03-0.06 瓦）瓦）电光功率转换接近电光功率转换接近100%100%，相同照明效果比传统光源节能，相同照明效果比传统光源节能80%80%以上。以上。 v寿命长寿命长：LEDLED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达光衰等缺点，使用寿命可达6 6万到万到1010万小时万小时，比传统光源寿命长，比传统光源寿
45、命长1010倍以上。倍以上。 v利环保利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 v高新尖高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，：与传统光源单调的发光效果相比，LEDLED光源是低压微电子产品，光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等成功融合了计算机技术、网络通信技术、图
46、像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖高新尖”技术，具有在线编程、技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。无限升级、灵活多变的特点。v多变幻多变幻：LEDLED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有三种颜色具有256256级灰度并任意混合，即可产生级灰度并任意混合，即可产生2562562562562562561677721616777216种种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种颜色，形成不同光色的组合变化多
47、端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。图像。 2022-4-2952发光二极管用发光材料发光二极管用发光材料发光二极管用材料要求具有如下特性：发光二极管用材料要求具有如下特性： 发光在可见光区，禁带宽度发光在可见光区，禁带宽度3.26eV Eg1.63eV； 材料必须容易做成材料必须容易做成n型及型及p型；型； 具有高效率的发光中心或复合发光；具有高效率的发光中心或复合发光； 效率降至初始值一半的时间大于效率降至初始值一半的时间大于105h； 材料要能生长成单晶，能规模化生产。材料要能生长成单晶，能规模化生产。2022-4-2953常用常用LEDLED材料材料u二元化合物二元化合物：GaP
48、GaP（红绿）、（红绿）、GaNGaN（红绿蓝黄白）、（红绿蓝黄白）、GaAsGaAs和和SiCSiC等；等；u三元化合物三元化合物：控制混晶的成分比控制混晶的成分比可以改变禁带宽度可以改变禁带宽度，实现多色化，实现多色化，AlAlx xGaGa1-x1-xAsAs、GaAsGaAs1-x1-xP Px x、InIn1-x1-xGaGax xP P和和InIn1-1-x xAlAlx xP P等；等；u四元化合物四元化合物：可以在相当宽的范围内可以在相当宽的范围内控制禁带宽度控制禁带宽度与与晶格常数晶格常数，如，如InGaAsPInGaAsP在室温下能实现在室温下能实现0.550.553.40
49、3.40m m波波长的发光。长的发光。2022-4-29542003年年6月，中国科技部联合信息产业部、中国科学院等月，中国科技部联合信息产业部、中国科学院等8个个部门，和北京、上海等部门，和北京、上海等15个地方政府全面启动我国半导体照个地方政府全面启动我国半导体照明工程，旨在迎接新的照明革命，加速我国明工程，旨在迎接新的照明革命，加速我国半导体材料半导体材料、芯芯片片、封装封装及应用及应用产业化产业化支撑技术方面突破。支撑技术方面突破。中国国家半导体照明工程中国国家半导体照明工程 2004年年3月月 上海上海 上海张江（预测上海张江（预测2010年，上海半导体灯产业年，上海半导体灯产业将实
50、现销售额将实现销售额 100 120亿元人民币，出口创汇亿元人民币，出口创汇 35亿美元亿美元 ） 2004年年4月月 厦门厦门 厦门三安、明达光电、乾照光电芯片（总产厦门三安、明达光电、乾照光电芯片（总产量占大陆芯片产量的量占大陆芯片产量的25%，达，达70亿粒亿粒 ） 2004年年4月月 大连大连 大连路美芯片科技有限公司（大连路美芯片科技有限公司（1.5亿美元）亿美元） 2004年年5月月 南昌南昌 江西联创光电科技股份有限公司江西联创光电科技股份有限公司 2005年年4月月 深圳深圳 世纪晶源世纪晶源 （中外合资，注册资金（中外合资，注册资金8亿元）亿元）国家半导体照明工程产业化基地2
