380 780
x X/(X Y Z) 0.338 y Y/(X Y Z) 0.270
1.3.2.3 均匀色度标尺
• CIE 1931色度图X，Y坐标转换为CIE 1960 均匀 色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式
4X u X 15Y 3Z
6Y v X 15Y 3Z
• 当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的 颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。 • 当（u,v）色度图上，等温线和色温曲线通常是垂 直的
1.3.3.2 显色指数
光源 显色指数 97 80-94 75-85 80-90 95-99 60~80 85~95 22-51 20-30 60-65
5.5 铝镓铟磷
• 间接带隙材料AlP和GaP和直接带隙的InP组成合金 时能产生直接带隙的四元AlGaInP单晶。 • (AlxGa1-x)yIn1-yP的y约为0.5时晶格常数与GaAs相 匹配，一般固定y=0.5，采用GaAs作为衬底。 • 直接带隙到间接带隙的转变出现在x约为0.65时， 增加x，可使其发光从红扩展到绿 • AlGaInP材料采用MOCVD系统生长 •AlGaInP系材料是目 前高亮度红光 (625 nm), 橙光(610 nm) 和 黄光 (590 nm)LED产 品的主要体系
• 显色指数：表明光源 发射的光对被照物颜 色正确反映的量称为 显色指数
白炽灯 日光色荧光灯 白色荧光灯 暖白色荧光灯 卤钨灯 白光LED（两色混合）
• 显指（CRI）是白光光 源质量的重要参量。
白光LED（三色混合） 高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯
作业
1. 假设InGaN蓝光LED芯片是一折射率为2.5 的薄层，放置在空气中，请计算其全反射 角的大小，并计算由LED的其中一个平面 出去到空气中的光功率的百分比。 2. 某个RGB白光LED，其光谱可简化看成是 0.25W的460nm蓝光、0.2W的540nm绿 光和0.25W的650nm红光组成，请计算其 光通量（明视觉）大小，色度坐标（x,y） 和(u,v)，并根据色温等温线，估算此光源 的色温。
ΔEc p Eg1 Eg2 Eg1 n ΔEc ΔEv p p Eg2 Eg1
n
ΔEv
4.4 异质结构和量子阱
• 双异质结的有源层厚度下降到与电子的德 布罗意波可比拟时（纳米量级），载流子 被量子局域在很窄的势垒内，被称为量子 阱结构。单量子阱和多量子阱是高亮度LED 的通用结构。
5.0 半导体发光材料的条件
阴极射线致发光（Schubert, 1995）


液相外延时，高温下Si占据Ga 形成施主，低温下Si占据As形 成受主，发光峰值为940nm。
GaAs中的线位错（X W Liu,1999）
5.2 磷化镓
• GaP是闪纤矿结构，典型的间接带隙半导体，通过掺入不同 的等电子陷阱发光中心，可发红、绿等颜色的光，成为20 世纪90年代前发光效率最高的可见光材料 • 影响材料质量主要是位错和化学计量比偏离造成的缺陷，主 要是镓空位。 • VI族元素硫、硒、碲为常用的N型掺杂剂；II族的锌、镉、 镁是常用的P型掺杂剂 • 绿色LED：N取代P作为等电子陷阱。N俘获激子，产生复 合。液相外延生长，效率为0.7% • 黄色LED: 气相外延法生长时，可形成高浓度的氮掺杂，发 光向长波长移动，峰值波长为590nm。 • 红色LED：掺入ZnO对等电子陷阱，激子复合发光峰值在 700nm,发光效率可达15%。
2.1 自然光源 太阳
到达地球表面的太阳 光的波长范围： 290 ～ 1700 nm ，波 长短于 290nm 的部分 被臭氧所吸收，而波 长大于1700 nm的部 分则被大气层中的水 气和二氧化碳强烈吸 收。 可见光的波长范围： 380～780 nm之间。 部分太阳光具有与约 5700K 的黑体辐射能 变几乎一致的连续分 布
成为半导体发光材料的条件：
• 高质量的单晶材料。要求缺陷密度低，以III-V族材 料为主 • 半导体带隙与可见和紫外光子能量相匹配 1239 .5 (nm) hv(eV ) • 直接带隙半导体。具有较高的辐射复合概率 • 可形成N、P型材料，可制备异质结构和量子阱结 构。
5.1 砷化镓

GaAs为闪纤矿结构，直接带 隙半导体，带隙宽度1.42eV 缺陷主要是位错和化学计量比 偏离造成的缺陷。镓空位对发 光效率的影响很大，氧和铜是 重要的有害杂质。
4.2 注入载流子的复合
（1）辐射型复合 ① 电子和空穴由于碰撞而复合（直接和间接） ② 通过杂质能级复合 ③ 通过相邻能级的复合 ④ 激子复合 （2）非辐射复合 ① 伴随多数的声子的复合 ② 俄歇复合 ③ 器件表面的复合
4.4 异质结构和量子阱
• 异质结：两块具有不同带隙能量的单晶半 导体连接而成的。 • 异质结的界面会由于晶格和热应力失配造 成的缺陷，影响异质结的质量。 • 单异质结 双异质结

0
光通量：按照 CIE 规定的人眼的视觉特性（ CIE 标 准光度观察者）来评价的辐通量，即用光谱灵敏度 为 V(λ) 函 数 的 物 理 探 测 器 所 评 价 的 辐 通 量 。 符号Fλ，单位：流明（lm） 1975年，流明的定义为：频率为540×1012赫兹， 辐 通 量 为 1/683W 的 单 色 辐 射 的 光 通 量 。 540×1012赫兹的波长是555nm
2.2.1 人工光源的发明与发展
• Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得 出，LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20 倍,这个规律被业界称为Haitz定律 • 2020年左右，半导体照明光源的效率可能达到200lm/W
2.2.4 荧光灯 Fluorescent Lamp
• 灯内填充钠金属和少量Ne和Ar 混合的惰性气体。 • Na原子受激电离，产生共振辐 射，D线：589nm和589.6nm • 外套管内壁镀有反射红外线的氧 化铟膜 • 功率18~180W，光输出 1800~33000lm，寿命值为 14000~18000小时 • 缺点是显色指数低。
2.2.6 高压放电灯
• 高压放电中，原子和离子被加速到很高的速度，等离 子体的温度在4000~6000K范围内，热辐射部分降低， 谱线增宽，显色性大大提高 高压汞灯：汞蒸气在0.2~1MPa下，发光光谱红移且 有连续本底，通过在内壁涂覆红色荧光粉，显指提高 到50。光效为20~50lm/W 高压钠灯：提高钠蒸气压，D线变宽，显指可达到60 或更高，但发光效率和寿命会下降。光效100lm/W左 右，主要用于道路照明。 金属卤化物灯：放电管内添加金属卤化物，可得到全 光谱光源。金属和卤素原子通过扩散-分解-扩散-分解 过程重复进行。光效可达到90-95lm/W，显指94。可 作为一般照明和重点照.5 0.9163 0.5745
380
• 考虑一简化的发光光谱，在460nm处的功率为0.4W， 580nm处的功率为0.5W，其它波长功率为0，试计 算该光谱的色度坐标 780
780 380
Y PY ( )d 0.4 0.06 0.5 0.87 0.459 Z P Z ( )d 0.4 1.6692 0.5 0.0011 0.6682
1.3.2 国际照明委员会色度学系统
• 国际照明委员会规定三原色标准为 X , Y , Z 如表1-3所示
X 780P X ( )d 380 780 Y 380 PY ( )d 780 Z 380 P Z ( )d
色度坐标计算示例
5.4 镓铝砷
• Ga1-xAlxAs是GaAs和AlAs的固溶体。在x=0.35时 由直接跃迁变成间接跃迁。 • GaAs和AlAs的晶格常数很接近，固溶体的晶格 失配的问题很小 • 最佳发光效率在640~660nm之间，相应的 x=0.34~0.4，内量子效率在50%左右。 • 双异质结结构N-Ga0.35Al0.65As/PGa0.65Al0.35As/P-Ga0.35Al0.65As,外量子效率达到 16%，发光强度5cd。 • 镓铝砷体系可用液相外延法大批量生产。生成氧 化钝化层可以减少Al的氧化，提高器件寿命。
光照度：投射在单位面积上的光通量。单位： 勒克斯（lx），1 lx＝1 lm/m2 朗伯发光：某些面辐射源或理想的漫射面， 辐射强度与表面法线和给定方向间夹角 Ө 的 余弦成正比
dF I d
I I 0 cos
1.3.1 颜色的性质
• 三原色原理认为：人眼的视网膜是三种不 同感色物质镶嵌而成。其分别对应于蓝(B)、 绿(G)、红（R)光的特定波长。 • 颜色叠加原理：任何颜色都是由三原色合 成的: C=XR+YG+ZB
2 nair 2 4ns
*
I I 0 exp(ax)
1.1.3 人眼的光谱灵敏度
人眼的光谱灵敏度随环境亮度的改变而变化 • 明视觉：亮度超过10cd（坎德拉）.m-2. • 暗视觉：环境亮度低于10-2cd/m2.
1.1.4 光度学及测量
辐通量（辐射功率）：以辐射形式发射、传输或 接收的功率。 单位：W； 总的辐射功率为： P P d
Red + Green =Yellow Red + Blue =Magenta Green + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White
1.3.1 颜色的性质
采用归一化 x=X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z) x+y+z=1
颜色可以使用坐标（x,y）来确定
• 由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发 光的放电灯，它是一种低电压汞蒸气弧 光放电灯 • 灯内含有低气压的汞蒸气和少量的惰性 气体，管内壁涂有荧光粉层 • 汞蒸气将输入电能转化成波长为 253.7nm的紫外辐射，照射到荧光粉上 • 光效为60~80lm/W,寿命约8000~10000 小时