第10章发光及显示器件概述.ppt

光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 第10章 发光及其显示器件 10.1 电致发光和光致发光 10.2 电致发光显示器件 10.3 有机电致发光显示（OLED）器件 10.4 电致发光显示器件的应用和发展前景 发 光 光是一种以电磁场形式存在的物质，其中波长为380～780 nm的电磁波能够引起人眼的视觉反应，因而称为可见光。 在原子能级中，处于基态的电子吸收能量（电能、热能、化学能或光能）后被激发到高能态，当这些电子跃迁回基态时，就将其能级差以光的形式发出，这就是发光。 第10章 发光及其显示器件 场致发光可分为电致发光（EL）和光致发光（PL） 。 电致发光（EL）是直接把电能转换成光能的物理现象，从发光机理看，可分为注入型电致发光和本征型电致发光。 注入型电致发光是在外电场作用下产生少数载流子注入而发光，这就是一般的普通发光二极管（LED），它是指在III-V族化合物的PN结上，注入少数载流子电子或空穴，当这些电子或空穴在晶体内再度与晶体内的多数载流子空穴或电子产生复合时而引起的发光。 本征型电致发光，不伴随少数载流子注入而发光。从施加的电场高低来分类，又可分为低场电致发光和高场电致发光两种。低场电致发光一般指普通发光二极管，高场电致发光是一种高场非结型器件的发光，其材料是II-VI族化合物。 光致发光显示是在磷光体中，发光中心（催化剂）首先被高频光激发，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子发射的一种发光显示。 电致发光（LED）器件与激光器（LD）发光的根本区别是，电致发光器件没有谐振腔，它的发光基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；而激光器发光必须要有谐振腔，它的发光是基于受激发射，发出的是相干光??激光（见第3章）。 10.1 电致发光和光致发光 10.1.1 发光二极管发光机理 10.1.2 LED材料和结构 10.1.3 光致发光——磷光体、白光LED、 CRT和等离子体 10.1.4 LED的主要特性和应用 10.1.1 发光二极管发光机理 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带（见1.5.1节）。如果占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带（价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能量）Eg = Ec ? Ev以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差?E所决定。 图10.1.2 LED的发光机理及分类 自发辐射的光是一种非相干光 ； LED有面发光型和边发光型两类。面发光LED的出光面与PN结平面平行。边发光LED与普通的LD相同，从PN结的一个端面（与结平面垂直）出光。 面发光LED的输出光功率较边发光LED的大，但发光面积大，光发散角大，与光纤耦合效率低，需专门的结构设计。边发光LED出光面小，与光纤耦合容易。 10.1.2 LED材料和结构 发光二极管的材料主要是III-V族化合物半导体，如GaP、GaAs、GaN等，有直接跃迁型和间接跃迁型之分。 不同的材料有不同的带隙，发出不同颜色的光，具有不同的峰值波长 ，如GaP，Eg = 2.24 eV，峰值波长为555 nm，发绿色的光；又如GaAs，Eg = 1.43 eV，峰值波长为867 nm，发近红外光 。 为了提高发光二极管的性能，一般都采用双异质结和量子阱结构。 图10.1.3 用不同的材料可以制成从可见光到红外光的LED 图10.1.4 面发光LED的结构 半导体材料往往折射率较高，如GaAs，n = 3.6，故在材料与空气的界面易发生全反射，使光不能辐射出去，如图10.1.4（a）所示。为了提高面发光LED的耦合效率，通常将LED芯片封装在塑料半透镜的中心，如图10.1.4（b）和（c）所示。透明塑料的折射率为1.5，光输出是图10.1.4（a）的4倍，而且造价也低，因而大量被使用。 10.1.3光致发光——磷光体、白光LED、CRT和等离子体（PDP）  磷光体（phosphors）是一种首先被高频光激发，高能量光子首先被吸收，然后以低能量光子发射的材料。通常，光发射在称为发光中心的掺杂剂（催化剂）中发生，如图10.1.5（a）所示。 入射电子使磷光体发光——阴极射线导致磷光体发光  图10.1.5 光致发光原理 （b）催化剂能级图 许多磷光体是在基质晶格中掺入催化剂，例如在氧化钇（Y2O3）材料中掺入铕离子（Eu 3+）； 这种Y2O3 : Eu 3+磷光体被紫外线（如近紫外200～400 nm）照射后，吸收紫外光的能量，从低能级E1跃迁到高能级E2，然后又从次高能级回到次低能级，将其能级差?以另一较长波长的红光（613 nm）发射出来，如图10.1.5（b）所示。 CRT显示器 用高能电子束轰击CRT显示器涂层材料时，也能