第8章光学性能初步-材料物理化学2013秋.pdf

1 1 材料物理化学材料物理化学 Physics and Chemistry of Materials 第八章第八章 无机功能材料光学性能无机功能材料光学性能 施鹰 施鹰 yshi yshi 上海大学材料学院电子信息材料系上海大学材料学院电子信息材料系 2 光线的基本属性光线的基本属性 光的吸收和辐射跃迁光的吸收和辐射跃迁 发光二极管的工作原理和器件结构发光二极管的工作原理和器件结构 多晶光学材料多晶光学材料 8 1 光线的基本属性光线的基本属性 光的本性光的本性既是波 又是粒子 具有波粒二相性既是波 又是粒子 具有波粒二相性 研究传播问题时 把它看作波 研究它与物质相互作用研究传播问题时 把它看作波 研究它与物质相互作用 时 把它看作粒子 光子 时 把它看作粒子 光子 hc hE m s 10 x 3 00light of speed c sJ1062 6 constant sPlanck frequency wavelength energy 8 34 xh E 3 光是横波光是横波 Electromagnetic radiation smc 100 3 1 8 00 z x y E H vc Two components electric field E and magnetic field H Vacuum velocity 0 介电常数 electric permittivity of a vacuum 0 磁导率 magnetic permeability of a vacuum wavelength frequency 4 光是由一种被成为光子光是由一种被成为光子photon的颗粒构成的颗粒构成 hc hvE h 6 63 X10 34 J s Planck s constant The energy of photon is defined as c f q R e c o i l i n g e l e c t r o n E l e c t r o n X r a y p h o t o n S c a t t e r e d p h o t o n u y x c u 5 6 从电子材料到光子材料从电子材料到光子材料 光子的频率和速度大大高于电子光子的频率和速度大大高于电子 多信号载体的综合集成应用多信号载体的综合集成应用 各种纳米材料和纳米结构在硅基底上集成 实现各种纳米材料和纳米结构在硅基底上集成 实现 高效 低能耗的信息功能集成高效 低能耗的信息功能集成 电子学电子学 electronics 光电子学光电子学 Opto electronics 光子学光子学 photonics 20世纪世纪 21世纪世纪 2 电磁波谱电磁波谱 上海人民广播电台上海人民广播电台990990千赫 千赫 3 033 03 10102 2m m 无线电波 无线电波 电子轰击铜靶产生的电子轰击铜靶产生的CuCuKaKa射线 射线 1 541 54 1010 1010m m X X射线 射线 放射性同位素钴放射性同位素钴60 60放出的射线 放出的射线 1 1 1010 1212m m g g 射线 射线 光波 光波 1010 3 3m m 1010 9 9m m 7 氦氖激光 氦氖激光 632 8nm 红 红 氩离子激光 氩离子激光 514 5nm 488 0nm 绿绿 氮分子激光氮分子激光 337nm 紫外 紫外 YAG激光 激光 1060nm 红外 红外 光波谱光波谱 光谱光谱 白光是各白光是各 种带色光种带色光 的混合光的混合光 8 固体材料的光学性质固体材料的光学性质 取决于电磁辐射与材料表 取决于电磁辐射与材料表 面 近表面以及材料内部的电子 原子 缺陷之间面 近表面以及材料内部的电子 原子 缺陷之间 的相互作用的相互作用 9 光介质材料光介质材料 以折射 反 以折射 反 射和透射的方式改变光线射和透射的方式改变光线 的方向 位相和强度 使的方向 位相和强度 使 光按照特定的要求传输 光按照特定的要求传输 也可以透过或吸收一定范也可以透过或吸收一定范 围的光而改变光谱成分 围的光而改变光谱成分 光功能材料光功能材料 在各种外场作 在各种外场作 用下 其光学性质会发生变用下 其光学性质会发生变 化 可作为光学信号发生 化 可作为光学信号发生 探测 传输 显示和能量转探测 传输 显示和能量转 换材料 换材料 10 固体的光性质 从本固体的光性质 从本 质上讲 就是固体和质上讲 就是固体和 电磁波的相互作用 电磁波的相互作用 涉及晶体对光辐射的涉及晶体对光辐射的 反射和吸收 晶体在反射和吸收 晶体在 光作用下的发光 光光作用下的发光 光 在晶体中的传播和作在晶体中的传播和作 用以及光电作用 光用以及光电作用 光 磁作用等 磁作用等 SRATo IIIII 光线与固体材料的作用光线与固体材料的作用 不同的氧化铝材料对光线具有不同的反应不同的氧化铝材料对光线具有不同的反应 single crystal polycrystalline dense polycrystalline porous Transparent Translucent Opaque Incident I0 Absorbed IA Transmitted IT Scattered IS Reflected IR 11 光的反射 透射和吸收光的反射 透射和吸收 I I0 0和和I I 初始光强度和进入介质初始光强度和进入介质l l处的光强度处的光强度 R R 介质对光的反射率 介质对光的反射率 介质对光线的线性吸收系数 介质对光线的线性吸收系数 t I I e 0 空气空气 10 5cm 1 玻璃玻璃 10 2cm 1 金属金属 则达几万则达几万 到几十万到几十万 12 3 T I I0 1 R 2exp t R n 1 2 n 1 2 n 1 9 for Lu2O3 ceramic At 550 800 nm T were above 79 reaching 96 7 of the therotical value Tthe 81 7 In line Transmittance and Attenuation Coefficient Transmittance 611nm 79 44 0 281 cm 1 788nm 80 74 0 118 cm 1 13 Absorption of photons by electron transition 由于金属材料具有良好的连续能级状态 对红外 可见和由于金属材料具有良好的连续能级状态 对红外 可见和 微波有很好的吸收微波有很好的吸收 材料对光线的吸收材料对光线的吸收 Energy of electron Planck s constant 6 63 x 10 34 J s freq of incident light filled states unfilled states E h required I o 14 15 当入射光当入射光 h Egap 才有可能发生电子吸收光子能量并跃迁才有可能发生电子吸收光子能量并跃迁 若若 Egap 3 1 eV 不吸收不吸收 无色材料无色材料 diamond 若若 Egap in between 部分吸收部分吸收 显示特定颜色显示特定颜色 材料对光的选择性吸收材料对光的选择性吸收 入射光子能量入射光子能量 h Energy of electron filled states unfilled states E gap I o blue light h 3 1 eV red light h 1 7 eV 可见光范围中 可见光范围中 16 光吸收与波长的关系 材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用 而对其它波段而对其它波段 的光吸收较弱或不吸收的光吸收较弱或不吸收 这种现象称为选择性吸收这种现象称为选择性吸收 严格严格 说一切介质都是选择性吸收介质说一切介质都是选择性吸收介质 透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色 Ruby Sapphire Al2O3 0 5 to 2 at Cr2O3 Sapphire is colorless i e Egap 3 1eV adding Cr2O3 alters the band gap blue light is absorbed yellow green is absorbed red is transmitted Result Ruby is deep red in color 40 60 70 80 50 0 3 0 5 0 7 0 9 Transmittance ruby sapphire wavelength c m 红宝石和白宝石的颜色对比红宝石和白宝石的颜色对比 18 Al2O3晶体中Al3 和O2 离子以静电 引力作用 按照六方密堆方式结 合在一起 其能隙为9ev 它不可 能吸收可见光 所以是透明的 4 What happens when we increase q2 a bc d e 2 q 1 n 12 nn 2211 sinsinqqnn q1 光光 的的 折折 射射 19 Design with stepped Design with stepped index of refraction n index of refraction n index Radial position 光作为信号的载体在光纤中传播光作为信号的载体在光纤中传播 20 21 1 1 当某种物质受到激发 射线 高能粒子 电子束 当某种物质受到激发 射线 高能粒子 电子束 外电场等 后 物质将处于激发态 激发态的能量外电场等 后 物质将处于激发态 激发态的能量 会通过光或热的形式释放出来 如果这部分的能量会通过光或热的形式释放出来 如果这部分的能量 是位于可见 紫外或是近红外的电磁辐射 此过程是位于可见 紫外或是近红外的电磁辐射 此过程 称之为称之为发光过程发光过程 2 2 发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多 发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多 余的能量 这种发射过程具有一定的持续时间 余的能量 这种发射过程具有一定的持续时间 什么是发光材料 能够实现上述过程的物质叫做发什么是发光材料 能够实现上述过程的物质叫做发 光材料光材料 什么是发光什么是发光 22 热辐射 任何绝对零度以上的物热辐射 任何绝对零度以上的物 质都会发射热辐射 大多数位于质都会发射热辐射 大多数位于 红外区 一般红外区 一般600600 以上会有部分以上会有部分 可见光成分 热辐射是一种平衡可见光成分 热辐射是一种平衡 辐射 基本上只与物体温度有关 辐射 基本上只与物体温度有关 与物质种类无关 与物质种类无关 太阳光 白炽灯泡 烧热的炉膛 太阳光 白炽灯泡 烧热的炉膛 发光 是一种非平衡辐射发光 是一种非平衡辐射 偏离原先的热平衡态 是物 偏离原先的热平衡态 是物 体吸收外来能量后所发出的总辐体吸收外来能量后所发出的总辐 射中超出热辐射的部分 射中超出热辐射的部分 发光材料不需要加热 是一种发光材料不需要加热 是一种 冷光 冷光 发光与热辐射发光与热辐射 23 发发 光光 基基 本本 过过 程程 24 按照激发方式的不同对发光进行分类 按照激发方式的不同对发光进行分类 光致发光光致发光 Photoluminescence Photoluminescence 电致发光电致发光 Electroluminescence Electroluminescence 阴极射线发光阴极射线发光 Cathodeluminescence Cathodeluminescence 射线及高能粒子发光射线及高能粒子发光 Radioluminescence Radioluminescence 化学发光化学发光 Chemical luminescence Chemical luminescence 生物发光生物发光 Bioluminescence Bioluminescence 声致发光声致发光 Sonoluminescence Sonoluminescence 摩擦发光摩擦发光 Triboluminescence Triboluminescence 发光的分类发光的分类 发光材料发光材料 的形态的形态 晶体晶体 多晶多晶 非晶非晶 纳米晶纳米晶 薄膜薄膜 5 25 发光材料发光材料 把某种形式的把某种形式的 激发能量转化为发光能 激发能量转化为发光能 对于一个有效的发光材料应对于一个有效的发光材料应 具备如下要求 具备如下要求 1 1 能够有效地吸收激发能量 能够有效地吸收激发能量 2 2 能够把吸收的激发能量有能够把吸收的激发能量有 效地传递给发光中心 效地传递给发光中心 3 3 发光中心具有高的辐射跃发光中心具有高的辐射跃 迁效率 迁效率 发光材料的要求发光材料的要求 1 1 由多晶或单晶形态的基由多晶或单晶形态的基 质材料和激活剂 发光中质材料和激活剂 发光中 心 组成 也可能加入起心 组成 也可能加入起 到能量传递作用的敏化剂 到能量传递作用的敏化剂 2 2 只有基质材料 利用某只有基质材料 利用某 种本征缺陷做为发光中心 种本征缺陷做为发光中心 3 3 只有基质材料 利用本只有基质材料 利用本 征激子态或带边电子态产征激子态或带边电子态产 生发光 生发光 26 基质基质 某种绝缘体或半导体 某种绝缘体或半导体 材料 形成基本的能带结构 对材料 形成基本的能带结构 对 于激发能量的吸收起到主要作用 于激发能量的吸收起到主要作用 激活剂激活剂 掺杂进入基质的某 掺杂进入基质的某 种离子或基团 通常是高效的发种离子或基团 通常是高效的发 光中心 例如稀土离子 过渡族光中心 例如稀土离子 过渡族 金属离子等 激活剂可以在基质金属离子等 激活剂可以在基质 形成的能带结构的禁带中形成孤形成的能带结构的禁带中形成孤 立的能级系统 通过这些能级产立的能级系统 通过这些能级产 生发光所需的基态和激发态 生发光所需的基态和激发态 敏化剂敏化剂 掺杂进入基质的某 掺杂进入基质的某 种离子 起到能量传递作用 使种离子 起到能量传递作用 使 能量从吸收处传递到发光中心 能量从吸收处传递到发光中心 27 不同激发能量下发光中心的发光行为不同激发能量下发光中心的发光行为 28 光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程 吸收吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 若有一能量恰好等于h 12的光子撞击 此系统 则原本处于基态的原子将会 吸收光子的能量而跑到激发态 这一 过程称为吸收过程吸收过程 1 E 2 E 吸收 a 12 uh 12 uh 自发辐射 b 12 uh 1 E 2 E 1E 2 E 12 uh 12 uh 受激辐射 c 同相位 之前之后 图 8 2在两个能级间的三种基本跃迁过程 其中黑点表示原子的 能态 最初的能态在左边 经过跃迁后 其最终的能态则在右边 1 E 2 E 吸收 a 12 uh 12 uh 自发辐射 b 12 uh 1 E 2 E 1E 2 E 12 uh 12 uh 受激辐射 c 同相位 之前之后 图 8 2在两个能级间的三种基本跃迁过程 其中黑点表示原子的 能态 最初的能态在左边 经过跃迁后 其最终的能态则在右边 8 2 8 2 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 1E 2 E 吸收 a 12 uh 12 uh 自发辐射 b 12 uh 1E 2 E 1E 2 E 12 uh 12 uh 受激辐射 c 同相位 之前之后 图 8 2在两个能级间的三种基本跃迁过程 其中黑点表示原子的 能态 最初的能态在左边 经过跃迁后 其最终的能态则在右边 1E 2 E 吸收 a 12 uh 12 uh 自发辐射 b 12 uh 1E 2 E 1E 2 E 12 uh 12 uh 受激辐射 c 同相位 之前之后 图 8 2在两个能级间的三种基本跃迁过程 其中黑点表示原子的 能态 最初的能态在左边 经过跃迁后 其最终的能态则在右边 在激发态中的原子是很不稳定的 经过短暂的时间后 不需要外来的 激发 它就会跳回基态 并放出一个 能量为h 12的光子 这个过程即称为 自发辐射自发辐射 当一能量为h 12的光子撞击一原本 在激发态的原子时 图c 此原子被激发 后 会转移到基态 并且放出一个与入 射辐射同相位 能量为h 12的光子 这 个过程即称为受激辐射受激辐射 单色性单色性 相干性相干性 29 当半导体被光照射后 如果光子的能量等于禁带宽度 即h Eg 则 半导体会吸收光子而产生电子 空穴对 如 a 所示 若h 大于Eg 则除了 会产生电子 空穴对之外 多余的能量 h Eg 将以热的形式耗散 如 b 所 示 以上 a 与 b 的过程皆称为本本 征跃迁征跃迁 或称为能带至能带的跃 迁 若h 小于Eg 则只有在禁带 中存在由化学杂质或物理缺陷所 造成的能态时 光子才会被吸收 如 c 所示 这种过程称为非本征非本征 跃迁跃迁 光的吸收光的吸收 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 C E V E g E a b c u h t E C E V E g E a b c u h t E 30 假设半导体被一光子h 能量大于Eg且光子通量为 0 即每秒每平方厘米 所具有的光子数 的光源照射 当此光子通量进入半导体时 光子被吸收的 比例是与通量的强度成正比 因此 在一增量距离 x内 被吸收的光子数 目为 x x 其中 称为吸收系数 由光子通量的连续性可得 负号表示由于吸收作用负号表示由于吸收作用 导致光子通量强度减少导致光子通量强度减少 xa dx xd 0 x xx W 在光照射下的半导体 a 0 x e 0 x W0 光通量的指数衰减 b 0 x e 0 x W0 光通量的指数衰减 b 图 8 4光的吸收 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 0 x xx W 在光照射下的半导体 a 0 x e 0 x W0 光通量的指数衰减 b 0 x e 0 x W0 光通量的指数衰减 b 图 8 4光的吸收 aW eW 0 6 31 吸收系数吸收系数 是是h 的函数的函数 在在 截止波长截止波长 c时时 吸收系数会迅速吸收系数会迅速 地减小地减小 2 04 06 08 012 14 16 18 1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 0 30 25 10 175 0 3 10 2 10 1 10 1 1 10 2 10 m 0 51 CdS m 0 82 Si m Si 1 1 m 0 87 GaAs m 1 4 PAsInGa 36 64 70 30 m 1 881 24 EGe gC K300 2 04 06 08 012 14 16 18 1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 0 30 25 10 175 0 3 10 2 10 1 10 1 1 10 2 10 2 04 06 08 012 14 16 18 1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 0 30 25 10 175 0 3 10 2 10 1 10 1 1 10 2 10 m 0 51 CdS m 0 82 Si m Si 1 1 m 0 87 GaAs m 1 4 PAsInGa 36 64 70 30 m 1 881 24 EGe gC K300 m 波长 图 8 5数种半导体材料的光吸收系数 括号内的数值为截止波长 eV uh m 1 透光深度 1 cm 吸收系数 因为光 的本征因为光 的本征 吸收在吸收在h c 时变得微不足道时变得微不足道 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 g m 1 24 EgeV 以虚线表示的是非晶硅 它是制造太阳能电池的重要材料以虚线表示的是非晶硅 它是制造太阳能电池的重要材料 32 右图为砷化镓的动量 能量关系曲线 其价带顶部 与导带最低处发生在相同动 量处 p 0 因此 当电子 从价带转换到导带时 不需 要动量转换 这类半导体称 为直接带隙半导体直接带隙半导体 直接带隙半导体直接带隙半导体 0 1 2 3 4 g E 价带 111 100 导带 能量 eV GaAs E0 31 p动量 砷化镓有一非常窄的导 带抛物线 其电子的有效质 量仅为0 063m0 直接带隙和间接带隙半导体直接带隙和间接带隙半导体 直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用 中相当重要中相当重要 这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子 33 对硅而言 其动量 能量 曲线中价带顶部发生在p 0时 但导带的最低处则发生在沿 100 方向的p pC 因此 当 电子从硅的价带顶部转换到导 带最低点时 不仅需要能量转 换 Eg 也 需 要 动 量 转 换 pC 这类半导体称为间接间接 带隙半导体带隙半导体 硅有一较宽的导带抛物线 其电子的有效质量为0 19m0 间接带隙半导体 间接带隙半导体 2 1 0 1 2 3 4 g E 价带 111 100 导带 能量 eV Si p动量 直接带隙和间接带隙半导体直接带隙和间接带隙半导体 34 发光二极管 自发辐射发光二极管 自发辐射 激光二极管 受激辐射激光二极管 受激辐射 光探测器和太阳能电池 光吸收光探测器和太阳能电池 光吸收 设能级E1和E2的电子分布分别是n1和n2 在热平衡的条 件下 根据玻尔兹曼分布 kT hv kT EE n n 1212 1 2 expexp 其中负指数表示在热平衡时n2小于n1 即大多数的电子 是处于较低的能级 在稳态时 受激辐射的速率 即单位时间内受激辐射跃 迁的次数 和自发辐射的速率必须与吸收的速率达成平衡 以 保持分布n1和n2不变 辐射跃迁和光的吸收辐射跃迁和光的吸收 35 半导体中的各种复合跃迁方式半导体中的各种复合跃迁方式 1 带间跃迁带间跃迁 本征发射 有高能载流子获热载流子参与的高能发射 本征发射 有高能载流子获热载流子参与的高能发射 2 有化学或物理缺陷参与的跃迁有化学或物理缺陷参与的跃迁 从导带到受主型缺陷能级 从施主型 从导带到受主型缺陷能级 从施主型 缺陷能级到价带 从施主型缺陷到受主型缺陷 通过深能级陷阱的带间发射缺陷能级到价带 从施主型缺陷到受主型缺陷 通过深能级陷阱的带间发射 3 热载流子参与的带内跃迁 热载流子参与的带内跃迁 36 Synergy between Solar Photovoltaic LED Light Common Issues Nanomaterials and New Design for High Efficiency Conversion Device Reliability and Materials Degradation Novel Nanoscale Synthesis Processing LED Electricity V Light V Solar PV Electricity Converting between electricity and light LED works as a reverse solar PV cell 7 37 固溶体的分类固溶体的分类 按溶质质点在溶剂晶格中按溶质质点在溶剂晶格中 的位置来划分的位置来划分 按溶质在溶剂中的溶解度按溶质在溶剂中的溶解度 分类分类 根据固溶体在相图中的位根据固溶体在相图中的位 置划分置划分 根据各组元分布的规律性根据各组元分布的规律性 划分划分 置换型固溶体置换型固溶体 间隙型固溶体间隙型固溶体 连续型固溶体连续型固溶体 有限型固溶体有限型固溶体 无序型固溶体无序型固溶体 有序型固溶体有序型固溶体 38 固溶体半导体的基本性质固溶体半导体的基本性质 采用固溶体原理来制备或采用固溶体原理来制备或 开发各种新的材料 满足开发各种新的材料 满足 科技的发展对材料性能提科技的发展对材料性能提 出的特殊性要求出的特殊性要求 半导体的重要参数 如晶半导体的重要参数 如晶 格常数和带隙等随组分变格常数和带隙等随组分变 化而发生连续变化 可以化而发生连续变化 可以 通过对其组分的控制来调通过对其组分的控制来调 节材料的基本性质节材料的基本性质 1 AB xx Vegard定律定律 2 g Eabxcx 1 质点尺寸因素 质点尺寸因素 2 晶体结构类型 晶体结构类型 3 电价和电负性因素 电价和电负性因素 39 应用 新型应用 新型 SiGe 基太阳能电池材料基太阳能电池材料 太阳能电池所利用的太阳光光谱太阳能电池所利用的太阳光光谱 在可见光部分的能量不到在可见光部分的能量不到50 要想提高电池的效率要想提高电池的效率 把其光谱响把其光谱响 应延伸到应延伸到1 1 eV以下是非常重要的 以下是非常重要的 因为这包括了太阳光因为这包括了太阳光90 以上的能以上的能 量 量 SiGe 构成的薄膜合金材料通过控构成的薄膜合金材料通过控 制制Ge 含量能调制材料的带隙 含量能调制材料的带隙 0 67 1 1 eV 从而可以大大扩展 从而可以大大扩展 对红外谱域太阳能光谱的吸收 对红外谱域太阳能光谱的吸收 因此 因此 SiGe 材料在太阳电池中的材料在太阳电池中的 应用研究受到了重视应用研究受到了重视 尤其是非晶尤其是非晶 SiGe材料在材料在a Si a SiGe 叠层太阳叠层太阳 电池上的应用已经非常成熟 电池上的应用已经非常成熟 1 SiGe xx 2 2 1 1150 430 0206 00 85 g Exabxcx xxx 40 带隙结构的影响带隙结构的影响 直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用中直接与间接禁带结构的差异在发光二极管与激光等应用中 相当重要 这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子 相当重要 这些应用需要直接禁带半导体产生有效光子 对于对于LED电致发光器件 电致发光器件 Direct Eg十分重要 十分重要 复合辐射是一个一级跃迁复合辐射是一个一级跃迁 过程 没有声子参与 其量过程 没有声子参与 其量 子效率 子效率 QE 远远高于有声 远远高于有声 子参与的间接带隙半导体子参与的间接带隙半导体 可以在间接带隙材料中掺入等电可以在间接带隙材料中掺入等电 子中心 如子中心 如N 参与有效复合 参与有效复合 41 X CB Minimum VB Maximum N Level CB Minimum a Direct gap GaAs N Level b Crossover GaAs0 50P0 50 N Level c Indirect gap GaP Schematic band structure of GaAs GaAsP and GaP Also shown is the nitrogen level At a P mole fraction of about 45 50 the direct indirect crossover occurs 42 右图表示右图表示GaAs1 yPy的禁带的禁带 宽度是物质的量的比宽度是物质的量的比y的函数的函数 当当0 y 0 45时时 它属于直接它属于直接 禁 带 半 导 体禁 带 半 导 体 由由 y 0 时 的时 的 Eg 1 424eV 增加到增加到y 0 45时时 的的1 977eV 当当y 0 45时时 则则 属于间接禁带半导体属于间接禁带半导体 02 04 06 08 00 1 5 2 0 2 5 1 0 3 K300 T yy 1P GaAs 2 261 g E 1 977g 45 0 E y 直接禁带 间接禁带 424 1g E 02 04 06 08 00 1 5 2 0 2 5 1 0 3 02 04 06 08 00 1 5 2 0 2 5 1 0 3 K300 T yy 1P GaAs 2 261 g E 1 977g 45 0 E y 直接禁带 间接禁带 424 1g E GaAs GaP y物质的量的比 0 1 y 0 0 1 2 3 0 max P 85 0 65 0 40 0 价带 导带 uh 0 1 y 0 0 1 2 3 0 max P 85 0 65 0 40 0 价带 导带 uh P动量 带的关系图的成分与直接及间接禁 yy 1P GaAs a 的合金成分 绿色光黄色 橙色相对于红色 0 1 85 0 65 0 0 4 y b 图 8 7 eV gE禁带宽度 eV 能量 发光二极管材料选择发光二极管材料选择 8 43 h Energy Momentum Addition of a nitrogen recombination center to indirect GaAsP We can replace some of the As with P in GaAs and make a mixed compound semiconductor GaAs1 xPx When the mole fraction of phosphorous is less than about 0 45 the band gap is direct and so we can engineer the desired color of LED that we want by simply growing a crystal with the proper phosphorus concentration 44 A number of the important LEDs are based on the GaAsP system GaAs is a direct band gap S C with a band gap of 1 42 eV in the infrared GaP is an indirect band gap material with a band gap of 2 26 eV 550nm or green GaAs GaP 1 42 eV 45 GaAs GaP 1 52 eV 46 GaAs GaP 1 62 eV 47 GaAs GaP 1 72 eV 48 GaAs GaP 1 80 eV 9 49 GaAs GaP 1 90 eV 50 GaAs GaP 2 00 eV 51 GaAs GaP 2 26 eV 52 发光二极管发光二极管 LED 是一种是一种p n结结 它能在紫外光它能在紫外光 可见光可见光 或红外光区域辐射自发辐射光或红外光区域辐射自发辐射光 可见光可见光LED被大量用于各种电被大量用于各种电 子仪器设备与使用者之间的信息传送子仪器设备与使用者之间的信息传送 而红外光而红外光IED则应用于则应用于 光隔离及光纤通讯方面光隔离及光纤通讯方面 由于人眼只对由于人眼只对 光子能量光子能量h h 等于或大于等于或大于 1 1 8 8eV eV 0 0 7 7 m m 的 光的 光 线感光线感光 因此所选择的半因此所选择的半 导体导体 其禁带宽度必须大其禁带宽度必须大 于此极限值于此极限值 右图标示了右图标示了 几种半导体的禁带宽度值几种半导体的禁带宽度值 可见光发光二极管 可见光发光二极管 人眼的相对灵敏度 FWHM m555 0 m 红外红绿紫紫外 橙黄蓝 SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnS yy 1P GaAs 人眼的相对灵敏度 FWHM m555 0 m 红外红绿紫紫外 橙黄蓝 SiGaAsCdSeGaPCdSSiCGaN ZnS yy 1P GaAs 2 16 10 24 28 22 3 6 3 0 18 07 06 05 045 04 035 0 m eV g E 2 16 10 24 28 22 3 6 3 0 18 07 06 05 045 04 035 0 m eV g E 图 8 6 常作为可见光 LED 的半导体 途中还表示了人眼的相对灵敏度 8 3 8 3 发光二极管发光二极管 53 Principles of LED 54 Principles of LED 10 55 典型典型 LED LED 发光器件的结构发光器件的结构 Substrate n Al SiO2 Electrical contacts p Light output 56 Inside a Light Emitting Diode 1 Transparent Plastic Case 2 Terminal Pins 3 Diode 57 选择材料的选择材料的 基本要求基本要求 Correct band gap Direct band gap Material can be made p and n type Efficient radiative pathways must exist suitable refractive index Candidate Materials Direct band gap materials e g GaAs not Si UV ED 0 5 400nm Eg 3 25eV LED 450 650nm Eg 3 1eV to 1 6eV IR ED 750nm Eg 1 65eV Materials with refractive index that could allow light to get out 58 SEMICONDUCTOR MATERIALS SYSTEMS FOR HIGH BRIGHTNESS LEDs InSb InAs Ge GaSb Si InP GaAs CdTe AlSb CdSe InN AlAs ZnTe GaP SiC 3C CdO AlP CdS ZnSe SiC 6H SiC 4H ZnO GaN ZnS C AlN 01234567 Wavelength nm 2000800 600 500400300200 Band Gap Energy eV 1E 5 1E 4 1E 3 0 01 0 1 1 Relative Eye Sensitivity 59 Candidate Materials for LED s 60 Material Wavelength m Material Wavelength m ZnS ZnO GaN ZnSe CdS ZnTe GaSe CdSe CdTe 0 33 0 37 0 40 0 46 0 49 0 53 0 59 0 675 0 785 GaAs InP GaSb InAs Te PbS InSb PbTe PbSe 0 84 0 95 0 91 1 55 3 1 3 72 4 3 5 2 6 5 8 5 11 61 LED照明的优点照明的优点 发光效率高 节省能源发光效率高 节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的耗电量为同等亮度白炽灯的 10 10 20 20 荧光灯的 荧光灯的 1 21 2 绿色环保 绿色环保 冷光源 不易破碎 没有电磁干扰 产生废物少冷光源 不易破碎 没有电磁干扰 产生废物少 寿命长 可达寿命长 可达1010万小时万小时 固体光源 体积小 单个单元尺寸只有固体光源 体积小 单个单元尺寸只有3 5mm 3 5mm 重量轻 方向性好重量轻 方向性好 响应速度快 并可以耐各种恶劣条件响应速度快 并可以耐各种恶劣条件 低电压 小电流低电压 小电流 62 63 Electromagnetic Spectrum hc nm E eV 1242 nm E eV hc nm E eV Visible lights 64 Al Ga In N P As AlN AlP AlAs GaN GaP GaAs InN InP InAs GaAs GaP GaAl GaAsP GaAsAl Ternary compounds Binary compounds 65 Relative response of the human eye to various colors 350 400 450 500 550 600 650 700 750 100 10 1 10 2 10 3 10 4 Relative eye response Wavelength in nanometers The materials which are used for important light emitting diodes LEDs for each of the different spectral regions GaN ZnSe violet blue GaP N green yellow GaAs 14p86 GaAs 35p65 red orange GaAs 6p4 66 LED Optical Properties Efficiency int of photons emitted from active region per second of electrons injected in to LED per second Pint h I e extr of photons emitted into free space per second of photons emitted from active region per second P h Pint h 内量子效率内量子效率 光萃取效率光萃取效率 12 67 LED Optical Properties Epoxy encapsulants Light extraction efficiency can be increased by using dome shaped encapsulants with a large refractive index Efficiency of a typical LED increases by a factor of 2 3 upon encapsulation with an epoxy of n 1 5 The dome shape of the epoxy implies that light is incident at an angle of 90o at the epoxy air interface Hence no total internal reflection 色度学色度学 350400450500550600650700750 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 z y x Wavelength nm Chromaticity coordinates Color temperature dSxX dSyY dSzZ 1931 CIE 1931 CIE 配色函数配色函数 purplepurple greengreen and and blueblue 色坐标色坐标 ZYX X x ZYX Y y Generation of White light 70 Multi chip LED with control circuitry Potential High Efficiency Precise Control of Color and Power Output Color Likely Sensitive to Temperature Higher Materials and Processing Costs Multi LED Blue or UV LED Phosphors Good Temperature Stability Lower Cost Limited Control of Color and Power Output Lower Energy Conversion Efficiency LED Phosphors Mix light from multiple LEDs of different color Use blue or near UV LED to pump a mixture of phosphors White Light Solid State Lighting Efficiency lm W Price klm Incandescent 75 W 13 0 60 Fluorescent T8 83 0 73 HID Metal Halide 100 1 27 SSL White Light 50 200 150 less than 2 Current Market Status Technology Gaps 71 a A typical white LED structure b The spectral distribution of light emitted by a white LED Blue luminescence is emitted by the GaInN chip and yellow phosphorescence or luminescence is produced by a phosphor The combined spectrum looks white White LEDs 72 Applications of LED 13 Single CrystalsSingle Crystals CeramicsCeramics Uniformity Impurities and dopant inhomogeneity No crucible a