内容简介

半导体照明概论》以半导体发光为主轴,将半导体照明相关知识全面整合,为读者提供了全面的基础原理与应用介绍,内容集学术性与应用性为一体。读者只要具备大学物理、高等数学的基础知识就可阅读本教材。《半导体照明概论》共分为8章,第1章简述了电光源与照明的发展及半导体照明行业的概貌,第2章结合半导体照明技术介绍了光度学与色度学的基础知识,第3章介绍了半导体照明光源的物理基础,第4章介绍了发光二极管原理、主要性能及白光源的实现,第5章介绍了半导体照明光源的材料与器件,第6章介绍了半导体照明灯具、评价与设计技术,第7章简要介绍了有机发光二极管(OLED)的知识,第8章简要介绍了半导体照明技术的发展与展望。

作者简介

2005年3月~今,在深圳大学光电工程学院,教授、物理电子学硕士点负责人、系主任。2012年12月获得“国家发明二等奖”,获奖项目:高速分布反馈半导体激光器及其与电吸收调制器单片集成光源。

目录

第1章绪论1
1.1光源与照明的发展历史2
1.2典型电光源3
1.2.1白炽灯与卤钨灯4
1.2.2荧光灯、节能灯和无极灯5
1.2.3高压钠灯6
1.2.4半导体照明光源7
1.3照明的经济核算8
1.4照明设计标准简介9
1.5照明电器产品标准简介11
1.6照明的生物安全13
1.7绿色照明14
1.8半导体照明技术与产业15
1.8.1技术特点15
1.8.2产业概述16
1.8.3发展与创新19
思考题19
参考资料20
第2章光度学与色度学基础22
2.1人眼结构与视觉22
2.2光度学23
2.2.1视觉函数23
2.2.2辐射度学与基本参量24
2.2.3光度学与基本参量25
2.2.4辐射光源的光视效能与光效27
2.3色度学27
2.3.1颜色匹配函数与色度图27
2.3.2色纯度33
2.3.3白光光源色参数34
2.3.4颜色的混合与显色性36
2.4辐射光源的光色指标39
思考题41
习题41
参考资料42
第3章半导体照明光源物理基础43
3.1晶体学基础43
3.1.1空间点阵43
3.1.2晶面指数和晶向指数44
3.1.3常见晶体结构及其几何特征45
3.1.4晶体的堆垛方式46
3.2晶体的电子结构47
3.2.1晶体的结合键47
3.2.2晶体中电子的能态48
3.2.3晶体的结合能51
3.3半导体基础54
3.3.1能带与载流子的运动54
3.3.2本征半导体55
3.3.3掺杂半导体55
3.3.4简并半导体及能带57
3.3.5外加电场下半导体的能带图58
3.4直接带隙与间接带隙半导体59
3.5pn结及特性60
3.5.1pn结的形成60
3.5.2pn结的特性61
3.5.3载流子的复合65
3.6半导体发光材料条件70
3.7异质结及特性73
3.7.1异质结概念73
3.7.2异质结半导体材料特性74
3.8量子阱及特性76
思考题78
习题79
参考资料79
第4章发光二极管81
4.1发光二极管芯片结构及原理81
4.1.1发光二极管芯片基本结构81
4.1.2光子与电子的相互作用82
4.1.3发光二极管原理84
4.2双异质结发光二极管86
4.3量子阱结构发光二极管88
4.4发光二极管特性89
4.4.1电性能89
4.4.2光性能92
4.4.3热性能98
4.5白光发光二极管102
4.5.1荧光粉转换白光发光二极管103
4.5.2多芯片封装白光发光二极管105
4.5.3单片集成白光发光二极管106
4.6照明用白光发光二极管的特征参数与要求108
4.6.1光通量108
4.6.2发光效率109
4.6.3显色指数110
4.6.4色温111
4.6.5稳定性112
4.6.6热阻对色温的影响112
4.6.7抗静电特性115
4.6.8典型产品117
思考题118
习题118
参考资料119
第5章半导体照明光源材料与器件121
5.1半导体发光材料体系123
5.1.1化合物半导体123
5.1.2发光二极管典型材料124
5.2外延技术129
5.2.1晶体结构与外延129
5.2.2典型外延技术131
5.2.3GaN基外延材料的MOCVD生长138
5.2.4外延材料的测试分析141
5.3芯片技术144
5.3.1芯片工艺流程144
5.3.2芯片结构与实现148
5.4光萃取技术151
5.4.1基本原理151
5.4.2芯片设计与光提取151
5.5荧光材料159
5.5.1发光与发光材料159
5.5.2照明灯用发光材料164
5.5.3白光LED用发光材料165
5.6LED封装材料与技术181
5.6.1封装材料182
5.6.2封装工艺184
5.6.3典型封装结构187
5.6.4热管理192
思考题195
参考资料196
第6章半导体照明灯具、评价与设计技术201
6.1半导体照明灯具201
6.1.1基本构成201
6.1.2典型灯具及应用202
6.2半导体照明灯具评价205
6.2.1灯具配光曲线206
6.2.2光束角206
6.2.3光通量207
6.2.4色温207
6.2.5显色指数207
6.2.6灯具遮光角208
6.2.7灯具发光效率208
6.2.8灯具利用系数208
6.3半导体照明灯具设计208
6.3.1光学设计208
6.3.2驱动电路设计216
6.3.3可靠性设计230
6.4照明中的控制技术252
6.4.1智能灯具的应用现状252
6.4.2智能照明中的传感器技术253
6.4.3智能照明中的MCU254
6.4.4智能照明中的通信网络258
6.5半导体照明标准264
6.5.1我国半导体照明产品的标准体系264
6.5.2国内外标准化组织266
6.5.3主要标准概述268
思考题272
习题272
参考资料273
第7章有机发光二极管276
7.1有机半导体发光机理276
7.2OLED的电气性质278
7.2.1载荷子注入模型278
7.2.2载荷子输运模型278
7.3OLED材料279
7.4OLED的器件结构282
7.4.1OLED的一般结构282
7.4.2OLED照明专用结构283
7.5OLED的制备工艺285
7.6OLED的封装288
7.7OLED的应用290
7.7.1OLED的显示应用290
7.7.2OLED的照明应用292
思考题293
第8章半导体照明展望294
8.1概述294
8.2技术发展295
8.2.1LED材料、器件与封装296
8.2.2可见光通信技术297
8.2.3非视觉照明应用技术298
8.3市场分析298
8.3.1总体市场前景趋势299
8.3.2分类市场规模分析300
参考资料305
附录A中外文对照关键词索引307

前言/序言

丛书前言

半导体照明(SemiconductorLighting)是全球公认和竞相发展的最具市场前景的战略性新兴产业之一,在照明领域已确立了主导地位,对我国推动节能减排、调整产业结构具有重大意义。半导体照明产业是一个学科跨度大、技术和应用更新快的行业。“十三五”期间,我国半导体照明产业人力资源需求总量将随着产业的高速增长而大幅增加。作为新兴的产业,与其他发达国家相比,我国半导体照明产业在研发能力、生产管理水平及人才培训等方面仍存在较大差距。

“十八大”强调,要造就规模宏大、素质优良的人才队伍,进入人才强国和人力资源强国行列。人才是产业发展的第一推动力,人力资源的质量与水平是一个产业综合实力与竞争力的体现。院校是人才培养的源头,大力推行校企合作、工学结合、顶岗实习的人才培养模式,创新职业教育人才培养体制,根据产业需求优化专业结构,促进职业教育与产业的开放衔接,加强行业指导能力,发挥行业在建立健全行业人才需求预测机制、行业人才规格标准和行业职业教育专业设置改革机制等方面的指导作用,构建半导体照明产业现代职业教育体系是半导体照明产业人才培养的重中之重。

国家半导体照明工程研发及产业联盟(以下简称“联盟”)6年来一直在积极探索开展多种形式行业人力资源开发工作,服务产业的发展。在人才培训方面,联盟承担了人社部CETTIC职业培训项目(LED系列)组织管理工作。在人才培养方面,联盟与相关院校、行业协会、企业共建了15个人才培养基地,帮助院校构建半导体照明专业人才培养方案,在人社部的指导与支持下出版了《半导体照明产业技能人才开发指南》;在人才输送方面,联盟组织半导体照明行业专场招聘会,积极推进校企合作“订单人才培养”项目;在人才评价、鉴定方面,联盟在人社部、科技部的指导下,组织开展半导体照明行业专业技术人员岗位能力认证工作,规范、提升行业从业人员能力、素质。2013年7月,联盟成立了人力资源工作委员会,委员会将整合产业、院校、专家资源,助力产业人才发展。

高质量的教材是人才培养的重要保障。鉴于联盟现有的人才工作基础及目前院校半导体照明专业人才培养滞后于产业发展的现状,在人社部及教育部等部门的指导下,2013年联盟牵头组织半导体照明领域的专家、学者以及企业界的技术人才共同编写《半导体照明技术技能人才培养系列丛书》(以下简称《丛书》),旨在提升院校人才培养质量,提升行业从业人员及拟从事该行业人员的能力与素质,致力于推进我国半导体照明产业的发展。《丛书》按照半导体照明知识结构体系,根据半导体照明技术工艺特点,采用项目式体例编写。《丛书》分为中职、高职、本科部分,共12册。中职系列以半导体照明关键岗位工艺操作为主,高职系列侧重于半导体照明关键岗位技术知识与操作工艺并重,本科系列以半导体器件、集成电路的工作原理、制作工艺技术及照明应用技术为主,满足半导体照明相关中、高职院校人才培养及企业生产一线技术人员及初学者学习、充电的需要及适用于大学本科。同时,也可作为微电子相关专业学生的教科书。

《半导体照明技术技能人才培养系列丛书》

中职系列

《LED封装与测试技术》雷利宁主编

《LED应用技术》杜志忠主编

《LED智能照明控制应用》王巍主编

《LED灯具设计与组装》林燕丹主编

高职系列

《LED驱动与智能控制》孟治国主编

《LED封装技术》梁伟主编

《电气照明技术》王海波主编

《LED测试技术》姚善良主编

《LED照明设计》林燕丹主编

本科系列

《半导体照明概论》柴广跃主编

《LED器件与工艺技术》郭伟玲主编

《LED照明应用技术》文尚胜主编

《丛书》中各分册分别由主编统稿,由方志烈、周春生、李小红等专家进行了审稿。《丛书》的编写得到了有关专家的大力支持和帮助,在此一并感谢。

国际半导体照明联盟秘书长

国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长 

吴玲

序一

半导体照明是目前已知最高光效的人工光源。它是用第三代宽禁带半导体材料制作的光源和显示器件,具有耗电少、寿命长、无汞污染、色彩丰富、可调控性强等特点,不仅可以替代白炽灯、荧光灯在照明领域的应用,还可广泛应用于显示、指示、背光、交通、医疗、通信、农业等领域。

国家半导体照明工程自2003年启动以来,经历了从无到有,从小、弱、散、乱到联合发展的历程。“十二五”期间,半导体照明产业作为我国重点发展的战略性新兴产业重点领域之一,已经形成了较为完整的产业链,产业规模从90亿元跃升至2576亿元,年均增长接近40%,企业超过5000家,从业人员100多万;拥有了自主知识产权的Si衬底LED外延芯片生产技术,掌握了具有国际领先水平的深紫外LED器件核心技术,更重要的是在大规模应用方面走到了世界前列,我国已成为全球半导体照明产业发展中心之一。预计2020年半导体照明应用市场占有率将达到70%,我国产业规模将达到10000亿元。

“国以才立,政以才治,业以才兴”。“十八大”强调,要造就规模宏大、素质优良的人才队伍,进入人才强国和人力资源强国行列。人才是产业发展的关键要素之一,半导体照明产业是一个学科跨度大、技术和应用更新快的行业。“十三五”期间,我国半导体照明产业人力资源需求总量将随着产业的高速成长而大幅增加,能否形成以人才发展推动产业发展、以产业发展带动人才发展的良好格局将直接决定我国半导体照明产业的持续发展。依托国家重大人才培养计划,重大科研和重大工程项目、重点学科和重点科研基地培养具有创新精神的科技领军人才,积极推进创新团队建设,培养出一大批德才兼备、国际一流的学者和产业科技创新领军人才。积极引进海外高层次人才,吸引出国留学人员回国创业。统筹各类创新人才发展,完善人才激励制度,深入实施重大人才工程和政策,培养造就世界水平的科学家、科技领军人才、卓越工程师和高水平创新团队,加强科研生产一线高层次专业技术人才和高技能人才培养等工作。构建半导体照明产业现代职业教育体系、培养半导体照明产业急需的技能型人才就显得尤为重要。

“工欲善其事,必先利其器”,高质量的教材是培养高质量人才的基本保证,也是构建半导体照明产业现代职业教育体系的重要组成部分。国家半导体照明工程研发及产业联盟在半导体照明产业人才发展方面做了很多工作。我很欣喜地看到,联盟在现有工作基础上,在人社部及教育部等部门的指导下,积极牵头组织半导体照明领域的专家、学者以及企业界的技术人才共同编写了《半导体照明技术技能人才培养培训系列丛书》(以下简称《丛书》),希望《丛书》能够得到读者的厚爱。

《丛书》是适时代所需,顺时势所趋。在此感谢各位主编及编写团队为提升半导体照明产业人才培养工作倾力尽心的付出,相信通过我们共同的努力,半导体照明产业的明天会更美好。

中华人民共和国科学技术部

曹健林 

序二

近年来,在积极参与国际产业分工和国际竞争的背景下,我国半导体照明产业步入了一个大发展的新时期。作为战略性新兴产业,半导体照明产业的发展,对于我国转变经济发展方式、提升传统产业质量、促进节能减排、实现社会经济可持续和促进就业发展起着越来越重要的作用。

人才蔚起,国运方兴。党的“十八大”报告指出,要加快确立人才优先发展战略布局,造就规模宏大、素质优良的人才队伍,推动我国由人才大国迈向人才强国。作为新兴的职业领域,半导体照明产业技术创新驱动性强、国际化程度高、资本知识密集等特点决定了人才资源是产业发展的关键资源之一。

没有一流的人才,就没有一流的产品,也不会有一流的企业,更谈不上有一流的产业。半导体照明产业要想体现行业竞争优势,提升并保持产业、企业竞争力,就必须以人才工作为先导,积极做好人才开发工作。

今年5月,国务院下发了《关于加快发展现代职业教育的决定》,《决定》指出,行业组织要履行好发布行业人才需求、推进校企合作、参与指导教育教学、开展质量评价等职责,建立行业人力资源需求预测和就业状况定期发布制度,对行业组织在人才培养中的地位和作用进行了明确。2012年以来,国家半导体照明工程研发及产业联盟充分发挥行业影响力和组织优势、专家优势,积极参加人力资源和社会保障部部级课题《我国技能储备机制的建立与运作研究》的研究工作,与人社部职业技能鉴定中心联合组成课题组对半导体照明产业的技能人才需求规模、需求规格做了详细的研究,提出了半导体照明研发设计类人才专业能力体系、半导体照明产品应用制造类人才职业技能体系,组织出版了《半导体照明产业技能人才开发指南》,为针对性开展半导体照明产业人才培养工作打下了坚实的基础。同时,《半导体照明行业专项职业能力考核规范》的提出,为产业技能人才的培养评价提出了有先导性、针对性的实践框架,初步解决了对技能人才能力评价标准缺乏的现实问题。

在上述工作基础上,国家半导体照明工程研发及产业联盟组织行业专家、学者,龙头企业负责人共同编写《半导体照明技术技能人才培养培训系列丛书》(以下简称《丛书》)。系列教材以课题研究为理论支撑,贯彻产教融合、校企合作的要求,立足现实、兼顾发展,协调推进产业人力资源开发与技术进步,是专业设置与产业需求对接、课程内容与职业标准对接、教学过程与生产过程对接的有益尝试,可作为中职、高职、应用型本科专业教学教材,也可作为行业职业培训教材。

我相信《丛书》的出版发行,将有力促进我国半导体照明产业产、学、研的紧密互动,为院校人才培养和企业在职人员培训提供有力的支撑,进一步加快产业技能型人才培养步伐。同时,也为以高层次创新型人才、急需紧缺专门人才为重点,完善半导体照明产业人才发展与培养模式提供有益探索。

中国就业培训技术指导中


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