2发光材料与器件基础

发光二极管的原料发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体器件，具有发光功能。

它是由特定的原料制成的，这些原料是实现LED发光的关键因素。

本文将介绍LED的原料及其特性。

一、发光材料1. 发光材料：LED的发光材料是由特定的化合物构成的，常见的材料包括氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（InGaP）等。

不同的发光材料具有不同的发光特性，可发出不同颜色的光，如红色、绿色、蓝色、黄色等。

二、衬底材料1. 蓝宝石衬底：蓝宝石是制造LED最常用的衬底材料之一。

它具有良好的热传导性能和电绝缘性能，可有效降低LED的发热量，并提高LED的光电转换效率。

2. 碳化硅衬底：碳化硅是一种新型的衬底材料，具有优异的热传导性能和电绝缘性能。

与蓝宝石相比，碳化硅衬底能够更好地降低LED的发热量，提高LED的工作稳定性和寿命。

三、导电材料1. 金属材料：LED中的电极需要使用导电材料，常见的金属材料有银、铜、铝等。

这些金属材料具有较低的电阻率和良好的导电性能，可确保电流流过LED时的高效能转换。

2. 透明导电材料：LED的透明电极通常采用透明导电材料，如氧化锡（ITO）薄膜。

透明导电材料能够保持LED的发光效果，并提高LED的光电转换效率。

四、封装材料1. 玻璃封装：LED的封装材料常用玻璃，具有良好的光透过性和耐高温性能，能够保护LED芯片，并提供良好的光学性能。

2. 塑料封装：除了玻璃封装外，LED还常用塑料封装材料。

塑料封装具有成本低、可塑性好等优点，能够满足不同应用场景对LED封装的需求。

五、其他辅助材料1. 焊料：LED的制造过程中需要使用焊料进行电极的连接。

常见的焊料有锡铅焊料、无铅焊料等，能够确保电极与导线的可靠连接。

2. 胶水：胶水在LED制造中常用于封装和固定LED芯片。

它能够提供良好的粘结性能，确保LED的稳定性和可靠性。

发光二极管的原料包括发光材料、衬底材料、导电材料、封装材料以及其他辅助材料。

发光二极管的材料发光二极管（LED）是一种半导体器件，其发光原理是通过半导体材料的电子跃迁而产生的。

在LED的制造过程中，材料的选择对其性能和发光效果起着至关重要的作用。

下面我们将介绍LED常用的材料及其特性。

1. Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料是LED制造中最常用的材料之一，包括氮化镓、磷化铝、砷化镓等。

这些材料具有较大的带隙能量，因此可以发射可见光甚至紫外光。

其中，氮化镓材料的发展尤为迅速，其发光效率和稳定性都得到了大幅提升。

此外，磷化铝材料也被广泛应用于LED的制造中，其发光波长覆盖了红、橙、黄等颜色。

2. Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。

Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料也是LED的重要材料之一，主要包括硫化镉、硒化锌等。

这些材料通常用于制造红外LED，其发光波长较长，适用于红外通信、遥控器等领域。

此外，硒化锌材料也可以用于制造蓝光LED，其发光效果优异。

3. 磷化物材料。

磷化物材料是一类新型的LED材料，其发光效率和稳定性均优于传统的Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。

磷化物LED可以实现更高的发光效率和更广泛的发光波长范围，因此在照明、显示等领域具有广阔的应用前景。

4. 硅基LED材料。

硅基LED材料是近年来备受关注的新型材料，其制备工艺相对简单，成本较低，且可以与传统的硅基电子器件兼容。

虽然硅基LED的发光效率较低，但由于其在集成电路领域的优势，仍然具有重要的应用价值。

5. 其他材料。

除了上述几类常用的LED材料外，还有一些新型材料正在被研究和开发，如氮化铟镓、氮化铟镓锡等。

这些材料在发光效率、发光波长范围、稳定性等方面均具有优势，有望成为未来LED制造的重要材料。

总的来说，LED的材料选择对其性能和应用领域有着重要影响。

随着半导体材料科学的不断发展和进步，LED材料的种类将会更加丰富，其性能也将得到不断提升。

相信在不久的将来，LED将会在照明、显示、通信等领域发挥越来越重要的作用。

半导体发光二极管基本知识自从60年代初期GaAsP 红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。

最早发展包括用GaAs 1-x P x 制成的同质结器件，以及GaP 掺锌氧对的红色器件，GaAs 1-x P x 掺氮的红、橙、黄器件，GaP 掺氮的黄绿器件等等。

到了80年代中期出现了GaAlAs 发光二极管，由于GaAlAs 材料为直接带材料，且具有高发光效率的双异质结结构，使LED 的发展达到一个新的阶段。

这些GaAlAs 发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了1990年，Hewlett-Packard 公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn 材料为基础的新型发光二极管。

由于AlGaIn 在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED 的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。

近几年来，由于CaN 材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED 的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED 在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。

本课程将介绍LED 的基本结构、LED 主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED 制造主要工艺过程。

1. 发光二极管（Light Emitting Diode ） 的基本结构图<1>是普通LED 的基本结构图。

它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。

组成LED 的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架 和环氧树脂。

1.1 管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的PN 结。

由 不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。

即使同一种材 料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组 份，也可以得到不同的发光颜色。

下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。

LED基础知识介绍LED，全称为Light Emitting Diode（发光二极管），是一种半导体器件。

与传统的发光方式不同，LED通过半导体材料发出可见光，其主要原理是电导带和价带之间的电子跃迁。

一、LED的结构LED由四个基础部件组成：1.发光体：由半导体材料构成，其中有N型材料和P型材料，通过电子和空穴再复合从而发出光。

2.引线极：引线极连接发光体和外部电源，起到导电和固定作用。

3.导电板：位于引线极下方，用于分布电流和散发热量。

4.外壳：保护LED内部结构的外部壳体。

二、LED的工作原理当LED两端施加电压时，N型材料中的电子和P型材料中的空穴在P–N结附近会发生复合。

这个过程中，电子跃迁到低能级并释放出能量，即发出可见光。

根据材料的不同，LED可以发出不同的光谱，从红色到紫色。

三、LED的优点1.能效高：LED是一种高效光源，其能量转换效率高，较少能量转化为热能。

2.寿命长：LED寿命可达数万小时，远超其他照明设备。

3.响应速度快：LED瞬间响应，无需预热时间。

4.尺寸小：LED小巧轻便，方便安装和维护。

5.环保节能：LED不含汞等有害物质，使用过程中也不会排放有害气体。

四、LED的缺点1.价格较高：LED的制造成本相对较高，使得其价格相对较高。

2.色彩损失：LED在长期使用过程中，会逐渐发生光衰，颜色会发生变化。

五、LED的应用领域1.照明领域：由于其高效节能的特点，LED已经成为照明行业的主流光源。

2.显示屏：LED显示屏具有高亮度、高对比度和清晰度等优点，在舞台演出、广告宣传等领域得到广泛应用。

3.汽车照明：LED的亮度较高，可以用于汽车前照灯、尾灯和转向灯等。

4.室内装饰：LED可以制造出不同颜色和亮度的光，广泛应用于室内装饰照明中，如楼梯、墙壁和天花板的装饰等。

5.电子产品：LED在电子产品中的应用非常广泛，如电视、手机、电脑等显示屏。

总结：LED作为一种高效节能的光源，具有很多优点，如能效高、寿命长、响应速度快等。

LED中文名称：发光二极管英文名称：light-emitting diode;LED;发光二极管简称为LED。

是一种半导体固体发光器件。

利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫和白色的光。

它是半导体二极管的一种，由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管；发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

它的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

当给发光二极管加上正向电压，电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

黄金导线：是99.999的纯金。

由于导电性好及延展性的关系，用作导线用。

以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和它们所发光的颜色铝砷化镓(AlGaAs)-红色及红外线铝磷化镓(AlGaP)-绿色aluminiumgalliumindiumphosphide(AlGaInP)-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色磷砷化镓(GaAsP)-红色，橘红色，黄色磷化镓(GaP)-红色，黄色，绿色氮化镓(GaN)-绿色，翠绿色，蓝色铟氮化镓(InGaN)-近紫外线，蓝绿色，蓝色碳化硅(SiC)(用作衬底)-蓝色硅(Si)(用作衬底)-蓝色(开发中)蓝宝石(Al2O3)(用作衬底)-蓝色zincselenide(ZnSe)-蓝色钻石(C)-紫外线氮化铝(AlN),aluminiumgalliumnitride(AlGaN)-波长为远至近的紫外线发光二极管种类：普通单色发光二极管普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。

1.电致发光（EL）：发光材料在电场作用下，受到电流和电场的激发而发光的现象，是一个将电能直接转化为光能的一种发光过程（非热转换即不是通过热辐射实现的）。

2. FED,PDP,LCD都存在问题，不能满足时代需求，所以研究更为高效的有机电致发光器件（OLED）。

OLED特点：材料选择有机物，高分子，因而选择范围宽；驱动电压低；发光亮度和发光效率高，发光视角宽，相应速度快；器件可弯曲，不受尺寸限制，分辨率高等。

3.基态：分子的稳定态即能量最低状态；激发态：被激发后，分子的电子排布不遵循构造原理。

激发态分子内的物理失活：辐射跃迁和非辐射跃迁。

而辐射跃迁：释放光子而从高能激发态失活到低能基态的过程。

导致电子运动轨道界面减少；在势能面上跃迁是垂直发生的。

4.有机半导体：在外电场作用下，电子和空穴在LUMO和HOMO间的跳跃产生电流。

而掺杂半导体中的载流子浓度大于本征半导体（电子和空穴浓度相同），所以导电性更好5.直流注入式有机电致发光：在有机EL器件的两端电机上加上直流电源，通电后发光器件受电激发的作用而发光的现象。

过程：载流子注入，载流子传输，电子和空穴碰撞形成激子（激子是彼此束缚在一起的电子和空穴对），激子辐射退激发发出光子。

6.单线态激子是总自旋为0的激发状态；注入的电子和空穴形成的单线态和三线态激子的比例正比于其状态数，有机电致发光的量子效率最大为25%；Forster能量转移：能量从主体向掺杂材料的传递方式，能在较远距离内实现，为单线态激子；Dexter能量转移：只能在紧邻分子间实现，为三线态激子。

7.单层器件：单层有机薄膜被夹在ITO阴极和金属极之间，形成的是单层有机电致发光器件。

但是单层器件的载流子的注入不平衡，器件发光效率低。

三层器件是目前OLED中最常用的一种。

在实际的器件中，在发光层往往采用掺杂的方式提高器件性能8.器件制备过程：刻蚀好的ITO玻璃一清洗一臭氧/氧等离子体处理一基片置于真空腔体一抽真空一蒸发沉积有机薄膜和阴极一取出器件并封装一测试表征9.有机小分子发光器件通常用真空蒸发沉积的方法制备构成器件的薄膜，整个过程要在真空腔内完成（真空度高于10八-4Pa）。

第二章 有机电致发光的基本原理2.1 有机电致发光器件的发光机理有机电致发光材料均为共轭有机分子，依据休克尔分子轨道理论（HMO ），并结合半导体理论中的能带理论，可将有机共轭分子中的最高分子占有轨道HOMO 类比为能带理论中的价带顶，最低空轨道LUMO 为导带底，这样就可以用半导体理论模型对有机电致发光进行理论研究。

有机电致发光和无机电致发光相似，属于载流子双注入型发光器件，所以又称为有机发光二极管，其发光机理一般认为是:在外界电压驱动下，从阴极注入的电子与从阳极注入的空穴在有机层中形成激子，并将能量传递给有机发光物质的分子，使其受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子从基态回到基态时辐射跃迁而产生发光。

具体发光过程可分以下几个阶段：(1) 载流子的注入：在外加电场的条件下，空穴和电子分别从阳极和阴极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入，即空穴向空穴传输层的HOMO 能级(相当于半导体的价带)注入，而电子向电子传输层LUMO 能级(相当于半导体的导带)注入。

电子的注入机理比较复杂，可分为电场增强热电子发射；场致发射，其过程是在强电场作用下，电子通过势垒从金属至半导体的量子力学隧穿。

在低温时，大多数电子是在金属的费米能级上隧穿势垒的，这形成场致发射（F 发射），在中等温度时，大多数电子是在能级Em （高于金属的费米能级）上隧穿势垒的，这形成所谓的热电子场致发射或热助场致发射（T-F 发射），在极高温度时，主要贡献是热电子发射；隧穿发射，如果绝缘体足够薄或者含有大量的缺陷，或者两者兼有，则电子可直接从电极注入到有机层。

(2) 载流子的迁移：载流子在有机分子薄膜中的迁移被认为是跳跃运动和隧穿运动[9,10]，并认为这两种运动是在能带中进行的。

当载流子一旦从两极注入到有机分子中，有机分子就处在离子基(A ＋、A －)状态，（见下图）并与相邻的分子通过传递的方式向对面电极运动。

此种跳跃运动是靠电子云的重叠来实现的，从化学的角度来说，就是相邻的分子通过氧化-还原方式使载流子运动。

第二章发光材料与发光基本原理发光材料是一类具有发光性质的材料，可以发出可见光、红外光、紫外光等各种波长的光。

它在现代科学技术中具有重要应用，尤其在光电子器件、照明和显示技术方面。

一、常见的发光材料1.复合材料：复合材料是由光激活物和基体材料组成。

光激活物可以是有机化合物、无机化合物、金属离子等，而基体材料则起到保护和支撑的作用。

复合材料具有发光强度高、效率高、寿命长等优点，因此被广泛用于显示器、照明和激光器等领域。

2.有机物发光材料：有机物发光材料是指由含有碳元素的物质组成的发光材料。

其中最有代表性的是有机发光二极管（OLED），它在照明和显示技术中有着广泛应用。

3.无机物发光材料：无机物发光材料主要由金属离子或稀土离子组成，可以发出不同颜色的光。

具有高亮度、稳定性好等优点，被广泛应用于荧光灯、LED等照明和显示技术中。

4.半导体发光材料：半导体发光材料是由具有半导体能带结构的材料组成，当电子和空穴在半导体内复合时会产生光。

代表性的半导体发光材料是氮化镓（GaN）等。

它具有高发光效率、高亮度等优点，被广泛应用于LED等照明和显示技术中。

1.激发态跃迁：材料中的原子或分子在受到能量激发后，会从低能级跃迁到高能级，这个过程释放出能量，即发光。

这个过程遵循着量子物理学的规律，其能量差与发射的光子能量相等。

2.吸收与放射：当材料受到外界能量激发时，原子或分子会吸收能量，电子从基态跃迁到激发态；当电子回到基态时，会释放能量，即发射光子。

发射的能量与吸收的能量相等。

3.能带结构：材料中的电子会占据不同的能级，能级之间存在禁带，只有当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，才能发生发光现象。

半导体材料的能级结构决定了其发光波长，因此可以通过改变材料的组成和掺杂来调节其发光性质。

4.失活与激活：材料中发光中心的发光效率受到失活和激活过程的影响。

失活是指在激发态和基态之间会有一系列的非辐射跃迁，使得部分能量被损失，从而降低了发光效率；激活是指将失活的中心重新激活，使其回到发光状态。

发光材料与器件基础_第三章第三章发光材料与器件基础1.发光材料的种类与结构发光材料是指在电场、电流或其他外部激励下可以发射出特定波长的光的物质。

常见的发光材料主要包括发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、稀土发光材料等。

1.1发光二极管（LED）发光二极管是一种将电能转化为光能的半导体器件。

根据电能转化的方式，发光二极管主要分为电致发光二极管（Electroluminescent Diode，简称ELD）和注入发光二极管（Injected Light-Emitting Diode，简称ILED）。

1.1.1电致发光二极管（ELD）电致发光二极管是将电能通过电容和发光二极管内部的导电液体转化为光能的器件。

它由两个导电电极、液体电解质和发光材料构成。

当电压施加到电极上时，产生电流，电流通过电解质，使其发生化学反应，释放出能量，激活发光材料，发出光线。

1.1.2注入发光二极管（ILED）注入发光二极管是将电能通过电场作用，直接注入发光材料并转化为光能的器件。

它由一个P型的发光层和一个N型的注入层组成。

当正向电压施加到器件上时，电子从N型注入层向P型发光层注入，与发光层中的空穴发生复合反应，释放出能量，产生光。

1.2有机发光二极管（OLED）有机发光二极管是一种使用有机化合物作为发光层材料的发光二极管。

它具有颜色饱和度高、发光性能稳定、发光范围广等优点，被广泛应用于显示和照明领域。

有机发光二极管的结构包括阳极、阴极和有机发光层。

1.3稀土发光材料稀土发光材料是一类利用稀土离子的电子能级跃迁产生光的材料。

它具有较高的光度效率、宽发光光谱和发光效果稳定等特点，主要应用于荧光粉、荧光玻璃等领域。

2.发光原理与机制发光材料的发光原理主要包括电子复合、能带间跃迁和激子辐射三种机制。

2.1电子复合电子在材料的能带中跃迁产生光。

当有外部激励（如电压、电流）使材料发生电子空穴复合时，会释放出能量，产生光线。

发光材料与光电器件随着科学技术的不断发展，光电器件在我们日常生活和工业生产中扮演着越来越重要的角色。

而对于光电器件来说，发光材料是至关重要的一部分。

本文将探讨发光材料与光电器件的关系，并介绍一些常见的发光材料和光电器件。

发光材料是能够将电能转化为光能的材料。

这些材料通过吸收外界的电能，激发内部的电子，并使其从基态跃迁到激发态。

当电子回落到基态时，会释放出光子，从而产生光线。

发光材料根据发光原理可以分为荧光和磷光两种类型。

荧光材料是一类能够在受到电能激发后短暂发光的材料。

这种材料在电能激发后，电子会在短时间内从激发态回落到基态，释放出光子。

荧光材料广泛应用于照明、显示器、荧光笔等产品中。

最常见的荧光材料是荧光粉，它由荧光物质和粉末基质组成。

荧光粉可以发出不同颜色的光，比如绿色、黄色、橙色等，具有较高的荧光效率和发光亮度。

磷光材料是一类能够在受到电能激发后长时间发光的材料。

这种材料在电能激发后，电子会在较长时间内停留在激发态，从而保持较长时间的发光。

磷光材料在应用中主要用于照明和显示器背光源等领域。

常见的磷光材料有氧化锌磷光粉、硅酸盐磷光材料等，它们具有高亮度、高效率、长寿命等特点。

除了荧光和磷光材料之外，发光材料还包括有机发光材料、半导体发光材料等。

有机发光材料是采用有机荧光物质制备的发光材料。

这种材料具有颜色可调性、柔性显示等优势，广泛应用于有机发光二极管（OLED）等领域。

半导体发光材料则是采用半导体材料制备的发光材料，常见的半导体发光材料有氮化镓、亚碲化铟等。

这类材料在光电器件领域中应用广泛，如LED（发光二极管）等。

发光材料和光电器件密不可分，发光材料的优良性能可以极大地提高光电器件的效率和性能。

光电器件是一类将光能转化为电能的装置，广泛应用于光通信、光储存、太阳能电池等领域。

其中，LED是最常见的光电器件之一。

LED利用电能激发半导体发光材料，产生可见光，具有高效率、长寿命、低能耗等优势。