Chapter 9 光顯示材料

1. Chapter 9 光顯示材料 本章大綱 9.1 光顯示技術發展概況 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 9.3 場發射顯示材料 9.4 等離子體顯示材料 9.5 電致發光材料 9.6 發光二極管材料 9.7 液晶顯示材料

2. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.1 顯示技術的發展 • 一百多年前德國布朗發明了陰極射線管 (Cathode Ray Tube，簡稱CRT)，實現了光電顯示。 • 由於CRT是電真空器件，有體積大、笨重、工作電壓高、輻射X線等不可克服的缺點，難以向輕便化、高亮度化、節能化方向發展。 • 這就促進了平板顯示 (Flat Panel Display，簡稱FPD) 技術的發展，特別是液晶顯示 (Liquid Crystal Display，簡稱LCD) 技術的發展。 • 液晶顯示具有低電壓、微功耗、易與集成電路相匹配、容易彩色化以及可被動式顯示等特點，所以在較短時間內發展成為一種新興產業。 • 20世紀60年代出現液晶顯示技術， • 70年代形成扭曲向列液晶顯示(Twisted Nematic-LCD，TN-LCD)， • 80年代發展到超扭曲向列液晶顯示(Super Twisted Nematic-LCD，STN-LCD)， • 90年代發展到更高層次的薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示(Thin Film Transistor Active Matrix-LCD，TFT AMLCD)。 • 圖9-1為光電顯示的分類示意圖，由圖可知，光電顯示分為投影式、直視式、虛擬式。投影顯示中CRT和AM˙LCD投影是主流。

3. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.1 顯示技術的發展 圖9-1　光電顯示的分類

4. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 評價顯示器件的參數有很多，但關鍵參數有亮度、發光效率、對比 、電壓、功耗、分辨率、灰度、壽命(穩定性)、視角、色彩、響應時間等。 • 亮度 • 亮度指顯示器件的發光強度。它是指垂直於光束傳播方向單位面積上的發光強度，單位為cd/m2。發光式顯示器件和受光式液晶顯示器件(採用背照明透射式顯示)均採用亮度參數。 • 發光效率 • 發光效率(luminescene efficiency)是指顯示器件輻射出的單位能量(W)所發出的光通量，單位為l m/W。一般發光式顯示器件的發光效率為0.1 lm/W~1.5 lm/W，其中真空螢光顯示發光效率高達1 lm/W~10 lm/W。發光效率是衡量發光材料性能的非常重要的參數。 • 對比度 • 對比度表示顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比。在室內照明條件下對比度達5:1，能基本上滿足顯示要求。液晶有源矩陣顯示對比度達到100:1以上。

5. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 評價顯示器件的參數有很多，但關鍵參數有亮度、發光效率、對比 、電壓、功耗、分辨率、灰度、壽命(穩定性)、視角、色彩、響應時間等。 • 灰度 • 灰度表示顯示器亮度的等級。以亮度的21/2倍發光強度的變化劃分等級。灰度越高，圖像層次越分明，彩色顯示中顏色更豐富，圖像更柔和。 • 響應時間與餘輝時間 • 響應時間表示從施加電壓到顯示圖像所需要的時間，又稱為上升時間。而當切斷電壓後到圖像消失所需要的時間稱為餘輝時間，又稱下降時間。一般為微秒量級。視頻圖像顯示要求響應時間和餘輝時間加起來小於50 ms才能滿足視頻的要求。 • 壽命和穩定性 • 發光顯示器件初始亮度衰減一半所需時間稱為半壽命，一般即指壽命。受光顯示器件的主要顯示指標保持正常的時間為使用壽命。同時濕度、溫度、紫外光等環境狀態和穩定性也是很重要參數。

6. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.2 顯示器件的性能 • 色彩 • 顯示顏色分為黑白、單色、多色、全色。顯示顏色是衡量顯示器件性能優劣的重要參數。 • 發光顯示以紅光、綠光、藍光三基色加法混色得到任意顏色。CRT、LCD及PDP已可顯示幾百種顏色。 • 視角 • 在受光式被動顯示中，觀察角度不同，對比度不同。在液晶顯示中視角問題特別突出。由於液晶分子具有光學各向異性，液晶分子長軸和短軸方向吸收不同，因而引起對比度不同，但LCD採用MVA(多疇垂直排列)、IPS(共面轉換)、ASM(軸對稱多疇模式)、光學補償膜等各種手段，視角特性能達到應用要求。 • 工作電壓和功耗 • 驅動顯示器件所施加的電壓為工作電壓。工作電壓與器件消耗電流的乘積為功耗。因此，要求工作電壓低、功耗少，並容易與集成電路相匹配。

7. 9.1 光顯示技術發展概況9.1.3 光顯示材料特性 • 光顯示材料是指把電信號轉換成可見光信號的材料。從廣義角度看，光顯示材料中也包括顯示屏支撐材料-玻璃基板。 • 光顯示材料分為發光材料和受光材料。物質發光過程有激發、能量傳輸、發光三個過程。 • 受光材料是利用電場作用下材料光學性能的變化實現顯示的。例如，改變入射光的偏振狀態、選擇性光吸收、改變光散射態、產生光干涉等。材料電光特性變化的陡度、響應速度、電壓、功耗等參數直接影響顯示器性能。

8. 器件 大屏幕 全色 視角 分辯率 對比度 功耗 工作電壓 CRT LCD PDP FED FLD LED △ △◎ ◎ △ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ △ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ ◎ ○ ○ △ △ △ ◎ △ ○ △ △ △ ◎ ○ ○ ○ ◎ 9.1 光顯示技術發展概況9.1.3 光顯示材料特性 參數 表9-1　各種光電顯示器件性能

9. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料

10. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料

11. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 • 陰極射線發光材料具有高發光效率和寬發射光譜。 • 這些光譜包括可見光區、紫外區和紅外區。 • CRT發光材料特性： • 發光材料:陰極射線發光的能量效率表示為整個發光過程各階段過程效率的乘積，即 (9-1) • 式中: 是散射因子；hv是發射光子的平均能量；E是形成電子-電洞對的平均能量；S是由熱電子-電洞對到發光中心的能量轉換的量子效率；Q式發光中心內部輻射躍遷的量子效率。 • 設定 S•Q=1。若和E已知，就可得的值。E 值與材料禁度帶寬度有關，一般取禁帶寬度Eg的2~3倍。只要取決於組成發光粉元素的原子量和材料結晶狀態。因此，值與顆粒幾何因子有關。尤其對高分辨率顯示，發光粉顆粒尺寸要小於5m。

12. 9.2 陰極射線管(CRT)發光材料 • 發光粉表面電荷負載：當激發電壓降至”死電壓”以下，發光消失。”死電壓”一般為1~2 kV。在低電壓下發光效率降低，主要原因是表面形成非發光層(也稱”死層”)和產生空間電荷。 • 在高電流密度激發下，發光層表面容易變粗糙，形成無輻射中心，降低發光效率。 • 敏化劑:對發光材料來說，某種雜質有助於激活劑引起的發光，使發光亮度增加，這類雜質叫敏化劑。敏化劑與共激活劑的作用效果一樣，但兩者的作用原理不一樣。如上轉換材料YF3:Yb、Er中Yb是敏化劑，Er是激活劑，通過YF3吸收激發能，把能量傳給Er3+發光。

13. 9.2.1 CRT發光材料原料性質 • 惰性雜質:惰性雜質是指對發光性能影響較小、對發光亮度和顏色不起直接作用的雜質，如鹼金屬、鹼土金屬。 • 色彩是紅、綠、藍三基色混合得到的。這三種基色在CIE(國際照明委員會)色坐標圖中構成一個三角形，如圖9-2所示。紅、綠、藍三點越接近曲線邊緣，顏色越純，即顏色越正，色飽和度越好。 • 三基色材料的色坐標必須適合PAL制的要求；每一單色螢光粉的發光效率要高。當激發紅、綠、藍三基色發光粉的三束電流比在顯示白場時，要接近1:1:1。典型CRT發光粉特性如表9-2所示。

14. 9.2.1 CRT發光材料原料性質 圖9-2CIE-xy色度圖

15. 組　　　分 發光色 主波長 (nm) 流明效率 (lm/W) 餘輝時間* 用　　　途 藍 黃綠 紅 白 綠 黃綠 紅 綠 紅 450 530 626 450 560 525 544 626 525 636 21 17，23 13 – 8 – 8．7 – 6．7 S S M S M M M L L 彩色CRT 彩色CRT 彩色CRT 黑白CRT 示波管，雷達，投影管 投影管 投影管 微機CRT 微機CRT ZnS:Ag ZnS:Cu,Al Y2O2S:Eu3+ ZnS:Ag (Zn,Cd)S:Cu,Al Zn2SiO4:Mn2+ Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+ Y2O3:Eu3+ Zn2SiO4:Mn2+As γ-Zn3(PO4)2:Mn2+ 9.2.1 CRT發光材料原料性質 表9-2CRT典型發光粉特性

16. 9.2.2 CRT發光材料的製備 • CRT發光材料的製備製程可分為原料的製備、提純、配料、灼燒、包膜處理等幾個步驟。 • 現以Y2O3 : Eu 作為代表介紹製備製程。按分子(Y0.96Eu0.04)2O3配好料，與適當的助熔劑(如NH4Cl、Li2SiO3等)混磨均勻，裝入石英坩鍋或氧化鋁鍋中，在1,340 oC下灼燒1 h~2 h，高溫出爐，冷至室溫，在253.7 nm紫外光激發下選粉，用去離子水洗至中性，然後進行包膜處裡。 • 包膜處禮方法是: 將粉放入矽酸鉀和硫酸鋁溶液中，混合攪拌幾分鐘後，靜置澄清，倒去沉澱，水洗2~3次，再加GeO2的飽和溶液充分攪拌(不水洗)。K2O˙xSiO2中x=1.5左右。反應式如下: • 沉澱在Y2O3 : Eu顆粒表面上，GeO2的作用是防止Y2O3 : Eu在感光膠中水解。

17. 9.3 場發射顯示材料

18. 9.3 場發射顯示材料9.3.1 發光材料 • 在CRT、FED、VFD(真空螢光顯示，Vacuum Fluorescence Display)三種顯示中均使用電子束激發的發光材料，但加速電子束的電壓不同。 • CRT加速電壓為15 KV~30 KV，FED為300 V~8 KV，VED為20 V~100 V。 • CRT採用逐點掃描方式，尋址時間短，約為奈秒量級，而FED採用矩陣式逐行掃描方式，尋址時間為幾十微秒。FED的電流大並長時間尋址，使發光粉庫倫負載很大，FED粉容易發光飽和並老化。 • 氧化物FED發光材料優於硫化物材料。在高電流密度激發下，ZnS基質材料表面粗糙，易老化。另一方面，為防止表面電荷的積累，必須考慮發光粉表面導電性。氧化物材料表面導電性好，因為氧化物材料具有高濃度的氧空位和晶格間陽離子。 • 圖9-3為ZnGa2O4和ZnO:Zn的熱釋放光強度曲線。圖9-3表明，ZnGa2O4具有高濃度和寬深度範圍的陷阱，是氧空位引起的。

19. 9.3 場發射顯示材料9.3.1 發光材料 圖9-3ZnO:Zn和ZnGa2O4熱釋發光

20. 9.3.2 冷陰極材料 • CRT和FED的主要區別在於陰極結構和材料。前者採用熱陰極；後者採用平面陣列的微尖冷陰極，微尖密度為106微尖/cm2~109微尖/cm2(每像元對應1,000多個微尖)，平均電流密度可達103 A/cm2。在室溫下，可利用微尖形成強電場並發射電子。 • 因此，要求微尖材料 • 功函數低、 • 穩定性好、 • 熱導率高、 • 擊穿電壓高等。

21. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料 • PDP氣體材料有He、Ne、Ar、Kr、Xe以及Hg蒸氣等。AC-PDP用Ne氣，DC-PDP用Ne、Ar、Hg混合氣體。彩色PDP用He : Xe (2%)或Ar : Hg混合混合氣體。 • 前者Xe輻射147nm紫外光，後者Hg輻射253.7nm紫外光。 • 這些紫外光激發紅、綠、藍三基色螢光粉。Ne氣體放電輻射橙色光，因此其顯示是單色的。在單色PDP中摻入Ar氣或Hg，可降低工作電壓。 • Ne : Ar是混合氣放電電壓降低，其氣體放電工作原理用圖9-4氣體能級表示。Ne原子亞穩激發能級略高於Ar離化能。所以，氣體放電時，Ar原子容易電離。電離反應式為 • 式中: Ne*表示亞穩激發態；e- 表示電子。這種混合氣體稱為 Penning氣體。

22. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料

23. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.1 氣體材料 圖9-4　惰性氣體能級圖

24. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

25. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

26. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉

27. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 • PDP使用的螢光粉應滿足有關條件如： • (1)在真空紫外區高效發光； • (2)在同一放電電流時，通過三基色螢光粉發光混合獲得白色光； • (3)三基色螢光粉具有鮮明的色彩度； • (4)在真空紫外光和離子轟擊下穩定性好； • (5)塗粉和熱處理製程具有穩定性； • (6)餘輝時間短。 • PDP三基色螢光粉應具有遠紫外光且發光效率高，同時要求在紫外光輻射和氣體放出離子條件下穩定性好。表9-3中列出三基色氧化物螢光粉的組成、色彩和相對亮度。 • 電視顯示要求餘輝短的螢光粉，例如:紅色用Y2O3:Eu3+，綠色用BaAl12O19:Mn2+，藍色用BaMgAl14O23:Eu2+。 • 如表9-4所示。PDP螢光粉燒結製作製程與CRT螢光粉和EL發光粉相似。

28. 發光顏色 相對亮度(%) BaMgAl14O23:Eu2+ (Ca、Sr、Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+ Y2SiO5:Ce3+ Zn2SiO4:Mn2+ BaO  6Al2O3:Mn2+ Y2SiO5:Tb3+ LaPO4:Ce3+、Tb3+ (Y、Gd)BO3:Eu3+ Y2O3:Eu3+ YVO4:Eu3+ 藍色 藍色 藍色 綠色 綠色 綠色 綠色 紅色 紅色 紅色 23 18 19 100 83 81 78 35 32 22 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 表9-3PDP三基色螢光粉 發光材料

29. 相對量子效率 (147nm) 相對量子效率 (170nm) 餘輝時間 (ms) (La0.87Tb0.13)PO4 (La0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 (Gd0.87Ce0.1Tb0.03)PO4 (Y0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 (Gd0.6Ce0.27Tb0.13)PO4 1.1 1.1 1.0 1.35 1.35 1.4 1.5 1.1 1.35 1.45 13 12 10 – – 螢　光　粉 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.2 三基色螢光粉 表9-4PDP綠色螢光粉

30. 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料 • PDP是由兩塊玻璃基板夾著惰性氣體和三色基螢光粉構成的。PDP屏幕尺寸大，製程過程中玻璃基板要經過一系列的厚膜印刷和高溫燒結，因此對玻璃基板要求高。通常燒結溫度在450oC~600oC之間，封接溫度為380oC~400oC，排氣最高溫度為350oC。 • 表9-5數據表明，PD200玻璃在熱膨脹係數、應變點、退火點、軟化點方面均優於鈉鈣玻璃。 • 由表9-6可見，CS25應變點高，改善了熱性能，並具有足夠大的楊氏弱性模量，使3 mm厚玻璃板滿足製程過程的機械強度要求。

31. PD200 鈉鈣玻璃 熱膨脹係數(1/K) 應變點(℃) 退火點(℃) 軟化點(℃) 密度(g/m3) 8310–7 570 620 830 2.77 8510–7 511 554 735 2.49 表9-5PD200和鈉鈣玻璃性能比較 性能參數 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料

32. CD25 標準鹼性玻璃 應變點(℃) 退火點(℃) 軟化點(℃) 熱膨脹係數 (50℃～30℃,10–7/K) 楊氏彈性模量(9.8103Pa) 密度(g/cm3) 體電阻對數值( cm) 610 654 848 84 8.28 2.88 10.5 506 545 726 85 7.04 2.49 6.65 特　性　參　數 9.4 等離子體顯示材料(PDP)9.4.3 基板材料 表9-6CS25和標準鹼性玻璃特性

33. 9.5 電致發光材料 • 發光材料在電場作用下的發光材料稱為電致發光(Electroluminescence，EL)。 • 電致發光有高電場發光(又稱本徵發光)和低電場結型發光(也稱注入型發光)。 • 前者發光材料是粉末或薄膜材料，後者是晶體材料。 • 電致發光是指高電場發光。低電場結型發光器件是發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)。

34. 9.5 電致發光材料

35. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 一、粉末發光材料 • ZnS是粉末電致發光材料最佳基質材料。這種材料對ZnS純度要求高，特別是Fe、Co、Ni等重金屬雜質含量要求低於0.1×10-6~ 0.3×10-6，同時要求結晶狀態好，有較好的分散性和流動性。 • 製備ZnS有硫化氫法、均相沉澱法、氣相合成法等。氣相合成法製備的ZnS純度高、結晶狀態好，缺點是成本高。 • 在粉末ZnS材料中，發光特性是由一些特殊雜質(激活劑和共激活劑)所決定。交流電場下，Cu是激活劑，Al3+、Ca3+、In3+、稀土元素和Cl、Br、I是共激活劑。 • 發光特性與這些激活劑和共激活劑的元素、濃度、燒結條件等有關。

36. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 發光材料 發光顏色 mas (nm) 尺寸小於10m顆粒所占比例(%) 亮度 (cd/m2) 擊穿電壓 (V) ZnS:Cu ZnS:Cu、Al ZnS:Cu、Mn (Zn、Cd)(S、Se):Cu ZnS:Cu 淺藍色 綠色 黃色 橙紅色 藍色 455 510 580 650 455 >60 >55 >50 >75 >65 19.9 59.7 19.9 19.9 19.9 350 350 350 350 350 • 表9-7列出粉末發光材料的基本特性和亮度特性。表9-7表明，ZnS材料是主要基質材料，覆蓋可見光區，發光效率較高，為14 lm/V，但亮度、效率、壽命、顏色方面還不足。 表9-7　粉末電致發光材料特性

37. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 圖9-5表示粉末EL材料發光光譜。可見ZnS基質發光粉光譜能覆蓋可見光波段。 圖9-5　粉末交流電致發光光譜

38. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 圖9-6所示。Cu雜質主要起兩種作用:一是Cu取代Zn成受主，組成發光中心；二是Cu析出在線缺陷上，形成導電性發光線。 圖9-6ZnS:Cu,Cl粉末交流電致發光的形貌

39. 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 二、薄膜發光材料： • 將發光體制成薄膜後，在電場作用下發光，稱為薄膜電致發光(Film Electroluminescence，稱為FEL)。 • 薄膜電致發光器件由襯底玻璃板、ITO電極、絕緣層、發光層、絕緣層和背金屬電極組成。 • 發光材料要求覆蓋整個可見光範圍，禁帶寬度大於3.5 eV。寬禁帶II – VI族化合物半導體，例如ZnS、CaS、SrS、Zn2SiO4和ZnGa2O4等。 • 表9-8列出FEL基質材料的物理性質。表9-8所列出的禁帶寬度在3.83eV以上，在可見光區透明。在這些基質材料中參入過渡金屬(Mn)或稀土元素(Eu、Tb、Ce)而得到發光中心。

40. 晶體結構 ZnS 閃鋅礦 CaS 石鹽 SrS 石鹽 CaGa2S4 正交晶系 SrGa2S4 正交晶系 ZnGa2O4 尖晶石 Zn2SiO4 鈹石矽 晶格常數 (nm) 離子性 Eg(eV) 介電常數 0.540 9 0.623 3.83 8.32 0.569 7 ≥0.785 4.41 7.30 0.601 9 4.30 9.40 a=2.009 b=2.009 c=1.211 – 4.20 15.0 a=2.084 b=2.049 c=1.221 – 4.40 1.40 8.37 – 4.40 – – 5.40 – 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • 表9-8列出EL基質材料的物理性質。表9-8所列出的禁帶寬度在3.83eV以上，在可見光區透明。在這些基質材料中參入過渡金屬(Mn)或稀土元素(Eu、Tb、Ce)而得到發光中心。 表9-8EL基質材料性能

41. 發光材料 發光顏色 CIE x CIE Y 亮度(cd/m2) 60 Hz 光流明效率 (lm/W) ZnS:Mn2+ CaS:Eu2+ ZnS:Mn （加濾光片） ZnS:Tb SrS:Ce SrGa2S4:Ce ZnS:Mn SrS:Ce 黃色 紅色 紅色 綠色 藍色 藍色 藍色 白色 0.5 0.68 0.65 0.30 0.30 0.15 0.15 0.44 0.50 0.31 0.35 0.60 0.50 0.10 0.19 0.48 300 12 65 100 100 5 10 470 3～6 0.2 0.8 0.6～1.3 0.8～1.6 0.2 0.3 1.5 9.5 電致發光材料9.5.1 無機電致發光材料 • ZnS : Mn2+是典型的薄膜電致發光材料。ZnS 晶格是由 Zn 和 S 原子組成的閃鋅礦晶系。ZnS : Mn光流明效率可達到4 lm/W~5 lm/W，激發頻率為60Hz，最高亮度為300mcd/m2~500 mcd/m2 表9-9FEL材料

42. 9.5.2 有機電致發光材料 • 近來，有機電致發光(Organic Electroluminescence，簡稱OEL)取得令人興奮的進展。在無機電致發光中發出藍色光是一個難題，但在有機材料中卻容易得到高亮度的藍色光。 • 圖9-7列出一些有機電致發光材料。 • 芳香族胺類材料是主要電洞(hole)傳輸材料，具有較高的電洞遷移率(hole mobility)，禁帶寬等特點。 • 多層結構有機電致發光器件中電洞傳輸層起電子阻擋層作用。 • 圖中TPD和NPB是典型的電洞傳輸材料。 • Alq3、BAlq3、BeQ2、DPVBi等材料是基質材料。 • 其中Alq3是最常用的材料，電子遷移率為10-5 cm2/(V.s)，電致發光響應速度小於1s，一般發光層厚度為100 nm，驅動電壓為10 V左右。

43. 9.5.2 有機電致發光材料 Toshiba 3.5 inches Full color OLED

44. 9.5.2 有機電致發光材料 圖9-7　有機電致發光材料

45. 9.5.2 有機電致發光材料 藍 綠 紅 基質材料 摻雜材料 亮度(cd/m2) CIE x CIE y 驅動電壓(V) 流明效率(lm/W) Balq 芘 355 0.163 0.194 10 0.56 Alq 香豆素 1 980 0.263 0.619 8 3.9 Alq DCJT 770 0.616 0.381 9 1.3 發光顏色 • 表9-10列出Alqs(8羥基喹啉的Al配合物)三基色發光特性。表9-10說明，OEL光流明效率高，綠光色度接近CRT，但藍光和紅光色度純度低。這是由於光譜譜帶寬，需要調整摻雜濃度，改進半寬度。改進基質和摻雜劑，可提高流明效率。 表9-10Alqs發光特性

46. 9.6 發光二極管材料 • 發光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)是輻射光的半導體二極管。施加正向電壓時，通過pn結分別把n區電子注入到p區、p區電洞注入到n區，電子和電洞複合發光，把電能直接轉化成光能。 • LED是能量轉換效率較高的固體發光器件，具有小型化、高效率、長壽命、堅固可靠、低電壓(約2V)、低電流(20 mA~50 mA)等特性。

47. 9.6.1 材料特性和發光機理 • LED是pn結本徵發光器件。要獲得各種顏色的LED、並有高效率發光，LED材料應具備三個條件: • (1)材料的導電性易控制； • (2)對發射光的透明性好； • (3)發光躍遷機率高。

48. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 一、材料導電性能易控制 • LED器件結構核心是pn結。要製作pn結，需要在高純度單晶材料中摻入極少量施主或受主雜質，得到n型材料或p型材料，且這些材料要有良好的導電性。GaAs、GaP等III – V族材料具有這種性能。在GaAs中雜質濃度和化學計量比偏差引起本徵缺陷濃度低於時，可得到低電阻n-GaAs或p-GaAs。容易製作pn結GaAs LED。 • 二、對發射光的透明性好 • 半導體和絕緣體材料具有吸收端。當光能量低於吸收端時，光可以透過；當光能量高於吸收端時，光被吸收，不能透過。材料的光吸收端就是該材料的禁帶寬度。一般來說本徵發光能量略微低於禁帶寬度約0.1 eV。圖9-8為III – V族化合物半導體材料的禁帶寬度和發光波長。此圖表明，可利用三元系或四元系混晶方法得到任意禁帶寬度，因而，可得到任意波長的發光。

49. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 圖9-8為III – V族化合物半導體材料的禁帶寬度和發光波長。此圖表明，可利用三元系或四元系混晶方法得到任意禁帶寬度，因而，可得到任意波長的發光。 圖9-8Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體禁帶寬度與晶格常數的關係

50. 9.6.1 材料特性和發光機理 • 三、發光躍遷機率高 • LED注入發光是由p區少數載子(carrier)一電子和n區少數載子一電洞分別與p區多數載子一電洞和n區多數載子一電子相結合而發光，亦即一對電子和電洞結合輻射1個光子。 • 從能量守恆角度，電子和電洞結合前後動量要守恆，光子本身動量很少，所以要求電子和電洞動量之和接近零。滿足這種條件時，光吸收或光輻射過程的躍遷機率高。這過程稱為直接躍遷(direct transition)。 • 不滿足上述動量守恆條件時，發光前後能量差傳送到晶格，增加晶格振動能。這種發光躍遷過程稱為間接躍遷(indirect transition)。 • 兩種躍遷機率完全決定於能帶結構。