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书名：光电材料与器件
定价：42.0
ISBN：9787030516725
作者：韩涛，曹仕秀，杨鑫
版次：1
出版时间：2017-03
内容提要：
本书主要介绍光电材料的基础理论、物理特性，光电元器件制备技术、工作原理、*新应用，光电材料与器件技术的*新进展及与其他技术的关联等。内容主要涉及光电材料的理论基础、微纳光电材料及器件、半导体发光材料与器件、无机光致发光材料、LED封装技术、透明导电材料、触控屏、显示屏、太阳能电池材料及应用的基本原理和发展趋势等。特别是，对于光-电转换材料与器件、电-光转换材料与器件和透明导电材料等新型的光电材料与器件，本书作了较系统的理论分析，并给出了应用实例。
目录：
目录
第1章 绪论 1
1.1 光电子技术简介 1
1.1.1 光电子技术发展历程 1
1.1.2 光电子技术相关概念 2
1.2 光电材料与器件的概念、地位及作用 3
1.2.1 光电材料与器件的基本概念 3
1.2.2 光电材料与器件在光电技术中的地位与作用 4
1.3 本书的理论基础 4
1.3.1 光电转换材料与器件 4
1.3.2 电光转换材料与器件 5
1.3.3 透明导电材料 6
参考文献 6
第2章 光电材料理论基础 7
2.1 能带理论 7
2.1.1 晶体的薛定谔方程及其近似解 7
2.1.2 布洛赫定理 10
2.1.3 周期性边界条件 11
2.1.4 能带及其一般特性 12
2.1.5 布里渊区 14
2.1.6 金属、半导体和绝缘体 15
2.1.7 电子、空穴和载流子 17
2.2 材料中的光吸收过程 18
2.2.1 基本吸收 19
2.2.2 允许和禁戒的直接跃迁 20
2.2.3 间接跃迁 21
2.2.4 激子 24
2.3 光电效应 25
2.3.1 外光电效应 25
2.3.2 光电导效应 28
2.3.3 光生伏特 31
2.3.4 温差电效应 35
2.3.5 热释电效应 36
2.3.6 光子牵引效应 36
参考文献 37
第3章 微纳光电材料及器件 38
3.1 纳米光电材料及器件 38
3.1.1 纳米光电材料 38
3.1.2 纳米光电器件 39
3.2 光子晶体及光子晶体器件 41
3.2.1 光子晶体的结构 42
3.2.2 光子晶体的基本特性 42
3.2.3 光子晶体器件 43
3.3 超材料及相关器件 46
3.3.1 超材料 46
3.3.2 负折射率材料及器件 46
3.3.3 隐身斗篷 49
3.4 表面等离子体激元及器件 52
3.4.1 基本原理及性质 52
3.4.2 表面等离子体光波导 53
3.4.3 表面等离子体共振传感器 54
参考文献 56
第4章 半导体发光材料与器件 58
4.1 半导体发光材料晶体导论 58
4.1.1 晶体结构 58
4.1.2 缺陷及其对发光的影响 62
4.1.3 能带结构 62
4.1.4 半导体发光材料的条件 66
4.2 半导体对光的吸收 68
4.2.1 半导体对光的吸收机构分类 68
4.2.2 半导体光吸收理论 69
4.3 半导体的激发与发光 71
4.3.1 PN结及其特性 71
4.3.2 注入载流子的复合 76
4.4 发光二极管照明技术 80
4.4.1 LED基本特性 80
4.4.2 LED发光原理 82
4.4.3 LED特性参数 83
4.4.4 LED驱动技术 88
4.4.5 LED应用 90
4.5 有机材料光致发光和电致发光 91
参考文献 96
第5章 无机光致发光材料 97
5.1 无机光致发光 97
5.1.1 光致发光过程 97
5.1.2 光辐射返回基态：发光 98
5.1.3 非辐射返回基态 99
5.2 荧光粉发光原理 99
5.2.1 基本概念 100
5.2.2 荧光粉的特性 101
5.3 荧光粉的发展历史和现状 103
5.3.1 荧光灯用荧光粉的发展历史 103
5.3.2 稀土三基色荧光粉 104
5.3.3 白光LED荧光粉 108
5.4 荧光粉的主要制备方法 110
5.4.1 高温固相法 110
5.4.2 燃烧合成法 112
5.4.3 溶剂（水）热法 112
5.4.4 溶胶-凝胶法 113
5.4.5 沉淀法 115
5.4.6 喷雾热解法 115
5.4.7 微乳液法 117
5.4.8 高分子网络凝胶法 117
5.4.9 微波法 117
参考文献 118
第6章 LED封装技术 120
6.1 LED封装方式 120
6.1.1 引脚式封装 121
6.1.2 表面贴装式封装 121
6.1.3 功率型封装 122
6.1.4 集成式多芯片器件封装 122
6.1.5 其他封装方式 123
6.2 LED封装工艺 124
6.3 LED封装材料与设备 127
6.3.1 LED封装材料 127
6.3.2 LED封装设备 132
6.4 荧光粉涂覆技术 136
6.4.1 调荧光粉 137
6.4.2 荧光粉涂覆 138
6.5 LED散热技术 139
6.5.1 热量来源 139
6.5.2 热量对LED的影响 140
6.5.3 LED的散热机制及解决方案 140
6.6 LED光学结构 145
6.6.1 LED光转化结构 146
6.6.2 LED配光结构 146
6.6.3 LED封装仿真与设计 147
6.7 功率型LED封装关键技术149
参考文献 153
第7章 透明导电材料 155
7.1 透明导电薄膜简介 155
7.2 代表性的TCO材料 156
7.3 TCO的导电性 157
7.3.1 TCO的导电原理 157
7.3.2 能带、轨域与迁移率 158
7.3.3 N型与P型TCO 158
7.3.4 载流子的生成 159
7.3.5 TCO的导电性与温度及载流子浓度的关系 160
7.3.6 TCO中的载流子散射与电阻的关系 162
7.4 TCO的光学性质 163
7.4.1 TCO的透光原理 163
7.4.2 电浆振动与电浆频率 163
7.4.3 布尔斯坦-莫斯效应 164
7.4.4 载流子浓度与透光性 165
7.5 透明导电材料技术 165
7.5.1 ITO 167
7.5.2 其他导电与透明的折中方案 167
7.5.3 软性ITO薄膜 169
7.5.4 纳米银线 171
参考文献 174
第8章 触控屏 175
8.1 触控技术的发展 175
8.1.1 触控技术的产生 175
8.1.2 触摸屏的定义 176
8.1.3 触摸屏的分类 177
8.2 电阻触摸屏 177
8.3 电容触摸屏 179
8.3.1 表面电容触摸屏 179
8.3.2 投射电容式触摸屏 180
8.4 其他触控技术 182
8.4.1 红外线技术触摸屏 182
8.4.2 表面声波式触摸屏 183
8.5 触控技术前沿 184
8.5.1 嵌入式触摸屏 184
8.5.2 force touch技术 185
8.5.3 柔性触控技术 186
8.6 触摸屏生产工艺介绍 187
8.6.1 玻璃式触摸屏的生产工艺 187
8.6.2 薄膜式触摸屏的生产工艺 191
8.6.3 薄膜触摸屏黄光工艺流程 194
8.7 电容式触摸屏生产设备和材料 195
8.7.1 电容式触摸屏主要生产设备 195
8.7.2 电容式触摸屏生产辅助材料 198
参考文献 200
第9章 显示屏 201
9.1 显示技术简介 201
9.2 显示器的工作原理及特点 203
9.2.1 阴极射线管显示器 203
9.2.2 液晶显示器 203
9.2.3 等离子体显示器 204
9.2.4 有机电致发光显示器 204
9.2.5 LED显示器 205
9.2.6 OLED显示器 205
9.3 TFT-LCD的器件结构和工作原理 206
9.3.1 液晶材料及其性能特点 207
9.3.2 panel板的结构及其工作原理 208
9.3.3 背光源的结构及其原理 210
9.4 TFT-LCD材料技术及工艺技术 212
9.4.1 TFT-LCD材料技术 212
9.4.2 TFT-LCD工艺技术 219
9.5 OLED显示屏 225
9.5.1 OLED显示原理及应用 225
9.5.2 OLED器件制备 226
9.5.3 OLED的优缺点分析 227
9.5.4 OLED的驱动方式 227
9.5.5 OLED产业面临的挑战 229
参考文献 230
第10章 太阳能电池材料及应用 231
10.1 光伏技术与太阳能电池 231
10.1.1 太阳能电池的发展历程 231
10.1.2 太阳能电池原理 232
10.1.3 太阳能电池的分类 236
10.2 晶硅太阳能电池 236
10.2.1 多晶硅薄膜太阳能电池 236
10.2.2 非晶硅薄膜太阳能电池 237
10.3 化合物半导体薄膜电池 238
10.3.1 CdTe太阳能电池 238
10.3.2 CIGS太阳能电池 241
10.3.3 GaAs太阳能电池 245
10.4 新型太阳能电池 247
10.4.1 染料敏化太阳能电池 247
10.4.2 有机薄膜太阳能电池 249
10.4.3 钙钛矿太阳能电池 251
参考文献 253
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第1章 绪论
1.1 光电子技术简介
根据“全球工业分析”（global industrial analysis）*新的市场分析报告，全球光电产业的产值2015年达到9320亿美元。光电产业是21世纪的第*主导产业，是经济发展的制高点，其战略地位是不言而喻的。光电子技术是光电产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、材料学、微电子学、计算机技术等前沿理论和技术，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术科学，它的应用涉及太阳能光伏、发光二极管（有机发光二极管）、平板显示屏、激光、计算机、通信、信息存储、现代测试仪器、智能玻璃等众多领域。
1.1.1 光电子技术发展历程
*早出现的光电子器件是光电探测器，而光电探测器的基础是光电效应的发现和研究。1873年，英国史密斯发现了硒的光电导性。1888年，德国赫兹观察到紫外线照射到金属时，能使金属发射带电粒子。1890年，勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了光电效应的实质。1900年，德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子，提出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式，为量子论奠定了基础。1929年，科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。1939年，苏联兹沃雷金制成实用的光电倍增管。20世纪30年代末，硫化铅（PbS）红外探测器问世，它可探测到3μm辐射。20世纪40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。20世纪50年代中期，可见光波段的硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用。1954年，第*个硅基太阳能电池诞生在美国贝尔实验室。1958年，英国劳森等发明碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。
1960年，美国梅曼研制成红宝石激光器——世界上第*台激光器。1961年，第*台激光测距仪出现，其后，各种激光制导武器、激光致盲武器、激光毁灭性武器等相继研制成功。
1964年，美国RCA公司发现了液晶的光电效应、宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了技术基础。从此，平板显示器技术以液晶显示器发展*快，其他平板显示器，包括等离子体显示器、有机电致发光显示器等相继问世。
1966年，光纤技术开始发展。同年，英籍华人科学家高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性，为光纤通信开辟了道路。20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟及电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）的问世。1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下连续工作的半导体激光器，使光纤通信成为可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。自此，光纤通信得到迅猛发展。在技术发展的同时，应用也在展开。20世纪70年代初，美国激光制导炸弹投入使用，1972年，荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。20世纪70年代中后期，日本、美国、英国开始建设光纤通信骨干网。
20世纪90年代，光电子技术在储存领域取得了成功，光盘已成为计算机存储的重要手段，CD、VCD已深入千家万户，DVD也于20世纪90年代中期走进人们生活。另外，光电子技术在照明和显示方面取得了长足发展。1983年，美籍华裔教授邓青云在实验室中发现有机发光二极管（organic light-emitting diode,OLED），其低电压、高量子效率的特点使其成为新一代平板显示技术。1993年，日本Nichia公司（日亚）的中村修二发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化镓（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光发光二极管（LED），革新了光源技术。
1.1.2 光电子技术相关概念
光电子技术是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料、非线性光学材料、衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、材料学、微电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。目前，光电子技术所涉及的范围如表1-1所示。
表1-1 光电子技术概况
光电子技术与电子技术关系密切。电子学是一门以应用为主要目的的科学和技术，它主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。电子学涉及很多的科学门类，包括物理、化学、数学、材料科学等。而光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（波长范围1～10nm）的电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。光电子技术则是同时研究光与电，即光子或光波与电子相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。光电子技术离不开电子技术，光电子技术需要电能－光能转换，光源需要驱动和控制电路才能发光，在信息领域则需要进行光电信号处理，而且目前大量的信息处理仍然以电子技术为基础，在发射和接收过程中仍需要电信息与光信息之间的转换、放大。未来信息技术的核心是光电子技术，光电子技术在信息技术领域的优越性尤其体现在以下三个方面。
（1）光波的频率更高，能够传输的信息容量更大。
（2）光波在介质中传输具有一定的优势。
（3）光电子信息技术尤其是在激光出现以后取得巨大的进展（光通信、光存储）。
1.2 光电材料与器件的概念、地位及作用
1.2.1 光电材料与器件的基本概念
光电子技术环节包括“材料、器件、模块、设备、系统”，其中器件则由一定性能（化学、电学、光学和力学性能指标）的材料来制成，模块由适合于指定参数要求（电流、电压、响应速度或频率）的器件组成，设备由多个功能模块在一定的软件环境下运行，系统由设备在一定的标准协议下构建而成。因此，光电技术的底层、基础是光电材料与器件。
光电材料是整个光电产业的基础和先导，光电材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光信号的材料，主要包括半导体光电材料（Ⅲ-Ⅴ族）、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。Ⅲ-Ⅴ族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，如AlGaAs、InGaAsN等，其晶格常数、禁带宽度和吸收/发射光波长是决定化合物半导体材料光电属性的3个*重要的参数。光电器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基、InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。
1.2.2 光电材料与器件在光电技术中的地位与作用
新器件和材料的产生促进光电子技术的重大进步，包括LED、OLED、太阳能电池、触摸屏、激光器、光纤、全光网络的各种器件（半导体激光器、EDFA、OXC、OADM），还有激光打印机、数码相机、VCD、DVD等。没有这些器件或者不了解这些器件，就难以组装高性能的光电设备和搭建高性能的光电系统。
由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、高清晰、超薄和超轻的要求不断提高，推动着光电产业的持续高速发展，光电新材料、新产品和新技术不断涌现。其中，光电传感系统及其相关器件、光电显示、光通信和光存储是目前光电产业*主要的应用领域。 在光电显示领域，以液晶显示（LCD）为主流的平面显示器件产品已替代传统的CRT（阴极射线管）市场，占据了整个显示市场的半壁江山。在光电平面显示器件和产品中，液晶已经渗透到显示器件的每一个领域；被誉为梦幻显示的OLED也开始在手机、数码相机、个人数字助理（PDA）等小尺寸显示领域得到应用。GaN基蓝光发光二极管（LED）的研制成功和商用器件的面世，为LED产品的全彩显示和白光照明提供了可能，并在世界范围内掀起了一场蓝光热，白光照已成为第四代照明光源。
半导体激光器的成功开发，使以CD-ROM、VCD和DVD为代表的数字光盘成为当今多媒体信息时代不可缺少的存储技术之一，已广泛应用于计算机存储、数字家电、广播电视、车载导航和电子出版等领域。光存储正沿着CD—DVD—三维全息存储的方向发展。
近年来，有机及有机/无机复合光电材料与器件研究和应用取得了重大进步和发展，引起了国际光电学术界、产业界的高度重视。有机材料以其快速、高密度、廉价等优点成为正在崛起的新一代光电信息材料。以有机材料为基础的光电器件，如OLED、 塑料光纤、有机薄膜激光器、聚合物基全息光存储器、有机波导器件、有机晶体管与场效应管、有机光开关等的开发和产业化将推动光电产业到达一个新的高度。
1.3 本书的理论基础
1.3.1 光电转换材料与器件
光电转换依据的是光电效应原理，光电效应原理为物质在光辐射作用下释放出电子的现象，光电现象由赫兹首先发现，但爱因斯坦第*个成功地解释了光电效应。爱因斯坦认为，一个光子的能量传递给金属中的单个电子，当电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分就变成电子离开金属表面后的动能，爱因斯坦光电效应方程为
12mv2=hν-W（1-1）
式中，h为普朗克常量；ν为光频率；12mv2为光电子的动能；W为光电子逸出金属表面所需的*小能量，称为金属的逸出功。发射出来的电子称为光电子。
光电效应分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应是指在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象，其又称光电发射效应。内光电效应指光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象，其又分为光电导效应和光生伏特效应（即光伏效应）。光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率变化的现象。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上，使光导体的电导率变大。光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电效应和光伏效应有较大区别。从定义上来说，光电效应其实是光伏效应的前提，光伏效应是光电效应作用于半导体这一特殊场所，从而产生了电势差。材料上，产生光伏效应的材料只能是半导体，而光电效应材料还可以是金属。光伏效应是少数载流子过程，是半导体中少数载流子吸收光子后在PN结两端产生电势差，而光电效应是半导体或金属在光子激励下辐射出自由电子，并且克服表面势垒后逸出表面向外发射电子。光伏效应中载流子不能离开材料，后者可以离开材料。前者对于光谱有一定的吸收谱并且与光强有关，而后者存在截止波长电子逸出速度与光强无关，只与频率有关。
通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料，主要用于制作太阳能电池。光电转换材料的工作原理如下：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。目前无机硅光伏打电池（简称光伏电池）的*高能量转换效率已经达到24%，砷化镓半导体的光伏电池的能量转换效率甚至已经达到32%。但它们对材料的纯度和制作工艺要求苛刻，且在制造过程中会产生一些剧毒物质，此外无机光伏电池的非柔韧性和不易加工等缺点也限制了其大面积化的应用进程。基于共轭聚合物的光伏电池，或称聚合物太阳能电池，既具备了共轭聚合物分子设计灵活、制作方法简单、生产成本低廉、能够制备大面积的柔性器件的优点，又继承了无机纳米晶载流子的迁移率高、化学稳定性好等优点，因而受到极大的关注。
1.3.2 电光转换材料与器件
固体发光材料在电场激发下发光的现象称为电致发光，它是将电能直接转换为光能的过程，利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如LED、液晶显示器、半导体激光器等。LED利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白等任意颜色的光。具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。LED灯具就是利用LED作为光源制造出来的照明器具，已被广泛应用于照明、显示、指示等领域。OLED又称为有机电激发光，它使用有机聚合材料作为发光二极管中的半导体材料。OLED技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能。OLED显示技术广泛地运用于手机、数码摄像机、DVD播放机、PDA、笔记本电脑、汽车音响和电视等。
1.3.3 透明导电材料
透明导电材料是一类对可见光具有高透光率，同时又具有高导电率的特殊材料，如掺锡氧化铟（ITO）、纳米金属线、石墨烯等。由于特有的光电性能，透明导电材料具有广泛的应用。在许多近代电子信息技术、光电技术、新能源技术及国防技术中，透明导电材料的设计、制造及使用工艺是一项必不可少的关键技术。例如，在触摸显示屏中，透明导电材料是必不可少的电极材料。在光伏太阳能电池中，高透光率的电极材料可以保证光伏电池能够充分吸收太阳光。在建筑玻璃表面镀上一层高透光、高导电率的薄膜，可以有效地阻止红外辐射的进入或逃离，大幅度提高建筑的节能效果。透明导电薄膜还可以有效地屏蔽电磁辐射，因此在航空、通信等国防工业领域也有着重要的应用。
定价：42.0
ISBN：9787030516725
作者：韩涛，曹仕秀，杨鑫
版次：1
出版时间：2017-03
内容提要：
本书主要介绍光电材料的基础理论、物理特性，光电元器件制备技术、工作原理、*新应用，光电材料与器件技术的*新进展及与其他技术的关联等。内容主要涉及光电材料的理论基础、微纳光电材料及器件、半导体发光材料与器件、无机光致发光材料、LED封装技术、透明导电材料、触控屏、显示屏、太阳能电池材料及应用的基本原理和发展趋势等。特别是，对于光-电转换材料与器件、电-光转换材料与器件和透明导电材料等新型的光电材料与器件，本书作了较系统的理论分析，并给出了应用实例。
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第1章 绪论 1
1.1 光电子技术简介 1
1.1.1 光电子技术发展历程 1
1.1.2 光电子技术相关概念 2
1.2 光电材料与器件的概念、地位及作用 3
1.2.1 光电材料与器件的基本概念 3
1.2.2 光电材料与器件在光电技术中的地位与作用 4
1.3 本书的理论基础 4
1.3.1 光电转换材料与器件 4
1.3.2 电光转换材料与器件 5
1.3.3 透明导电材料 6
参考文献 6
第2章 光电材料理论基础 7
2.1 能带理论 7
2.1.1 晶体的薛定谔方程及其近似解 7
2.1.2 布洛赫定理 10
2.1.3 周期性边界条件 11
2.1.4 能带及其一般特性 12
2.1.5 布里渊区 14
2.1.6 金属、半导体和绝缘体 15
2.1.7 电子、空穴和载流子 17
2.2 材料中的光吸收过程 18
2.2.1 基本吸收 19
2.2.2 允许和禁戒的直接跃迁 20
2.2.3 间接跃迁 21
2.2.4 激子 24
2.3 光电效应 25
2.3.1 外光电效应 25
2.3.2 光电导效应 28
2.3.3 光生伏特 31
2.3.4 温差电效应 35
2.3.5 热释电效应 36
2.3.6 光子牵引效应 36
参考文献 37
第3章 微纳光电材料及器件 38
3.1 纳米光电材料及器件 38
3.1.1 纳米光电材料 38
3.1.2 纳米光电器件 39
3.2 光子晶体及光子晶体器件 41
3.2.1 光子晶体的结构 42
3.2.2 光子晶体的基本特性 42
3.2.3 光子晶体器件 43
3.3 超材料及相关器件 46
3.3.1 超材料 46
3.3.2 负折射率材料及器件 46
3.3.3 隐身斗篷 49
3.4 表面等离子体激元及器件 52
3.4.1 基本原理及性质 52
3.4.2 表面等离子体光波导 53
3.4.3 表面等离子体共振传感器 54
参考文献 56
第4章 半导体发光材料与器件 58
4.1 半导体发光材料晶体导论 58
4.1.1 晶体结构 58
4.1.2 缺陷及其对发光的影响 62
4.1.3 能带结构 62
4.1.4 半导体发光材料的条件 66
4.2 半导体对光的吸收 68
4.2.1 半导体对光的吸收机构分类 68
4.2.2 半导体光吸收理论 69
4.3 半导体的激发与发光 71
4.3.1 PN结及其特性 71
4.3.2 注入载流子的复合 76
4.4 发光二极管照明技术 80
4.4.1 LED基本特性 80
4.4.2 LED发光原理 82
4.4.3 LED特性参数 83
4.4.4 LED驱动技术 88
4.4.5 LED应用 90
4.5 有机材料光致发光和电致发光 91
参考文献 96
第5章 无机光致发光材料 97
5.1 无机光致发光 97
5.1.1 光致发光过程 97
5.1.2 光辐射返回基态：发光 98
5.1.3 非辐射返回基态 99
5.2 荧光粉发光原理 99
5.2.1 基本概念 100
5.2.2 荧光粉的特性 101
5.3 荧光粉的发展历史和现状 103
5.3.1 荧光灯用荧光粉的发展历史 103
5.3.2 稀土三基色荧光粉 104
5.3.3 白光LED荧光粉 108
5.4 荧光粉的主要制备方法 110
5.4.1 高温固相法 110
5.4.2 燃烧合成法 112
5.4.3 溶剂（水）热法 112
5.4.4 溶胶-凝胶法 113
5.4.5 沉淀法 115
5.4.6 喷雾热解法 115
5.4.7 微乳液法 117
5.4.8 高分子网络凝胶法 117
5.4.9 微波法 117
参考文献 118
第6章 LED封装技术 120
6.1 LED封装方式 120
6.1.1 引脚式封装 121
6.1.2 表面贴装式封装 121
6.1.3 功率型封装 122
6.1.4 集成式多芯片器件封装 122
6.1.5 其他封装方式 123
6.2 LED封装工艺 124
6.3 LED封装材料与设备 127
6.3.1 LED封装材料 127
6.3.2 LED封装设备 132
6.4 荧光粉涂覆技术 136
6.4.1 调荧光粉 137
6.4.2 荧光粉涂覆 138
6.5 LED散热技术 139
6.5.1 热量来源 139
6.5.2 热量对LED的影响 140
6.5.3 LED的散热机制及解决方案 140
6.6 LED光学结构 145
6.6.1 LED光转化结构 146
6.6.2 LED配光结构 146
6.6.3 LED封装仿真与设计 147
6.7 功率型LED封装关键技术149
参考文献 153
第7章 透明导电材料 155
7.1 透明导电薄膜简介 155
7.2 代表性的TCO材料 156
7.3 TCO的导电性 157
7.3.1 TCO的导电原理 157
7.3.2 能带、轨域与迁移率 158
7.3.3 N型与P型TCO 158
7.3.4 载流子的生成 159
7.3.5 TCO的导电性与温度及载流子浓度的关系 160
7.3.6 TCO中的载流子散射与电阻的关系 162
7.4 TCO的光学性质 163
7.4.1 TCO的透光原理 163
7.4.2 电浆振动与电浆频率 163
7.4.3 布尔斯坦-莫斯效应 164
7.4.4 载流子浓度与透光性 165
7.5 透明导电材料技术 165
7.5.1 ITO 167
7.5.2 其他导电与透明的折中方案 167
7.5.3 软性ITO薄膜 169
7.5.4 纳米银线 171
参考文献 174
第8章 触控屏 175
8.1 触控技术的发展 175
8.1.1 触控技术的产生 175
8.1.2 触摸屏的定义 176
8.1.3 触摸屏的分类 177
8.2 电阻触摸屏 177
8.3 电容触摸屏 179
8.3.1 表面电容触摸屏 179
8.3.2 投射电容式触摸屏 180
8.4 其他触控技术 182
8.4.1 红外线技术触摸屏 182
8.4.2 表面声波式触摸屏 183
8.5 触控技术前沿 184
8.5.1 嵌入式触摸屏 184
8.5.2 force touch技术 185
8.5.3 柔性触控技术 186
8.6 触摸屏生产工艺介绍 187
8.6.1 玻璃式触摸屏的生产工艺 187
8.6.2 薄膜式触摸屏的生产工艺 191
8.6.3 薄膜触摸屏黄光工艺流程 194
8.7 电容式触摸屏生产设备和材料 195
8.7.1 电容式触摸屏主要生产设备 195
8.7.2 电容式触摸屏生产辅助材料 198
参考文献 200
第9章 显示屏 201
9.1 显示技术简介 201
9.2 显示器的工作原理及特点 203
9.2.1 阴极射线管显示器 203
9.2.2 液晶显示器 203
9.2.3 等离子体显示器 204
9.2.4 有机电致发光显示器 204
9.2.5 LED显示器 205
9.2.6 OLED显示器 205
9.3 TFT-LCD的器件结构和工作原理 206
9.3.1 液晶材料及其性能特点 207
9.3.2 panel板的结构及其工作原理 208
9.3.3 背光源的结构及其原理 210
9.4 TFT-LCD材料技术及工艺技术 212
9.4.1 TFT-LCD材料技术 212
9.4.2 TFT-LCD工艺技术 219
9.5 OLED显示屏 225
9.5.1 OLED显示原理及应用 225
9.5.2 OLED器件制备 226
9.5.3 OLED的优缺点分析 227
9.5.4 OLED的驱动方式 227
9.5.5 OLED产业面临的挑战 229
参考文献 230
第10章 太阳能电池材料及应用 231
10.1 光伏技术与太阳能电池 231
10.1.1 太阳能电池的发展历程 231
10.1.2 太阳能电池原理 232
10.1.3 太阳能电池的分类 236
10.2 晶硅太阳能电池 236
10.2.1 多晶硅薄膜太阳能电池 236
10.2.2 非晶硅薄膜太阳能电池 237
10.3 化合物半导体薄膜电池 238
10.3.1 CdTe太阳能电池 238
10.3.2 CIGS太阳能电池 241
10.3.3 GaAs太阳能电池 245
10.4 新型太阳能电池 247
10.4.1 染料敏化太阳能电池 247
10.4.2 有机薄膜太阳能电池 249
10.4.3 钙钛矿太阳能电池 251
参考文献 253
在线试读：
第1章 绪论
1.1 光电子技术简介
根据“全球工业分析”（global industrial analysis）*新的市场分析报告，全球光电产业的产值2015年达到9320亿美元。光电产业是21世纪的第*主导产业，是经济发展的制高点，其战略地位是不言而喻的。光电子技术是光电产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、材料学、微电子学、计算机技术等前沿理论和技术，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术科学，它的应用涉及太阳能光伏、发光二极管（有机发光二极管）、平板显示屏、激光、计算机、通信、信息存储、现代测试仪器、智能玻璃等众多领域。
1.1.1 光电子技术发展历程
*早出现的光电子器件是光电探测器，而光电探测器的基础是光电效应的发现和研究。1873年，英国史密斯发现了硒的光电导性。1888年，德国赫兹观察到紫外线照射到金属时，能使金属发射带电粒子。1890年，勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了光电效应的实质。1900年，德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子，提出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式，为量子论奠定了基础。1929年，科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。1939年，苏联兹沃雷金制成实用的光电倍增管。20世纪30年代末，硫化铅（PbS）红外探测器问世，它可探测到3μm辐射。20世纪40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。20世纪50年代中期，可见光波段的硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用。1954年，第*个硅基太阳能电池诞生在美国贝尔实验室。1958年，英国劳森等发明碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。
1960年，美国梅曼研制成红宝石激光器——世界上第*台激光器。1961年，第*台激光测距仪出现，其后，各种激光制导武器、激光致盲武器、激光毁灭性武器等相继研制成功。
1964年，美国RCA公司发现了液晶的光电效应、宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了技术基础。从此，平板显示器技术以液晶显示器发展*快，其他平板显示器，包括等离子体显示器、有机电致发光显示器等相继问世。
1966年，光纤技术开始发展。同年，英籍华人科学家高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性，为光纤通信开辟了道路。20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟及电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）的问世。1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下连续工作的半导体激光器，使光纤通信成为可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。自此，光纤通信得到迅猛发展。在技术发展的同时，应用也在展开。20世纪70年代初，美国激光制导炸弹投入使用，1972年，荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。20世纪70年代中后期，日本、美国、英国开始建设光纤通信骨干网。
20世纪90年代，光电子技术在储存领域取得了成功，光盘已成为计算机存储的重要手段，CD、VCD已深入千家万户，DVD也于20世纪90年代中期走进人们生活。另外，光电子技术在照明和显示方面取得了长足发展。1983年，美籍华裔教授邓青云在实验室中发现有机发光二极管（organic light-emitting diode,OLED），其低电压、高量子效率的特点使其成为新一代平板显示技术。1993年，日本Nichia公司（日亚）的中村修二发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化镓（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光发光二极管（LED），革新了光源技术。
1.1.2 光电子技术相关概念
光电子技术是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料、非线性光学材料、衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、材料学、微电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。目前，光电子技术所涉及的范围如表1-1所示。
表1-1 光电子技术概况
光电子技术与电子技术关系密切。电子学是一门以应用为主要目的的科学和技术，它主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。电子学涉及很多的科学门类，包括物理、化学、数学、材料科学等。而光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（波长范围1～10nm）的电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。光电子技术则是同时研究光与电，即光子或光波与电子相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。光电子技术离不开电子技术，光电子技术需要电能－光能转换，光源需要驱动和控制电路才能发光，在信息领域则需要进行光电信号处理，而且目前大量的信息处理仍然以电子技术为基础，在发射和接收过程中仍需要电信息与光信息之间的转换、放大。未来信息技术的核心是光电子技术，光电子技术在信息技术领域的优越性尤其体现在以下三个方面。
（1）光波的频率更高，能够传输的信息容量更大。
（2）光波在介质中传输具有一定的优势。
（3）光电子信息技术尤其是在激光出现以后取得巨大的进展（光通信、光存储）。
1.2 光电材料与器件的概念、地位及作用
1.2.1 光电材料与器件的基本概念
光电子技术环节包括“材料、器件、模块、设备、系统”，其中器件则由一定性能（化学、电学、光学和力学性能指标）的材料来制成，模块由适合于指定参数要求（电流、电压、响应速度或频率）的器件组成，设备由多个功能模块在一定的软件环境下运行，系统由设备在一定的标准协议下构建而成。因此，光电技术的底层、基础是光电材料与器件。
光电材料是整个光电产业的基础和先导，光电材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光信号的材料，主要包括半导体光电材料（Ⅲ-Ⅴ族）、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。Ⅲ-Ⅴ族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，如AlGaAs、InGaAsN等，其晶格常数、禁带宽度和吸收/发射光波长是决定化合物半导体材料光电属性的3个*重要的参数。光电器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基、InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。
1.2.2 光电材料与器件在光电技术中的地位与作用
新器件和材料的产生促进光电子技术的重大进步，包括LED、OLED、太阳能电池、触摸屏、激光器、光纤、全光网络的各种器件（半导体激光器、EDFA、OXC、OADM），还有激光打印机、数码相机、VCD、DVD等。没有这些器件或者不了解这些器件，就难以组装高性能的光电设备和搭建高性能的光电系统。
由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、高清晰、超薄和超轻的要求不断提高，推动着光电产业的持续高速发展，光电新材料、新产品和新技术不断涌现。其中，光电传感系统及其相关器件、光电显示、光通信和光存储是目前光电产业*主要的应用领域。 在光电显示领域，以液晶显示（LCD）为主流的平面显示器件产品已替代传统的CRT（阴极射线管）市场，占据了整个显示市场的半壁江山。在光电平面显示器件和产品中，液晶已经渗透到显示器件的每一个领域；被誉为梦幻显示的OLED也开始在手机、数码相机、个人数字助理（PDA）等小尺寸显示领域得到应用。GaN基蓝光发光二极管（LED）的研制成功和商用器件的面世，为LED产品的全彩显示和白光照明提供了可能，并在世界范围内掀起了一场蓝光热，白光照已成为第四代照明光源。
半导体激光器的成功开发，使以CD-ROM、VCD和DVD为代表的数字光盘成为当今多媒体信息时代不可缺少的存储技术之一，已广泛应用于计算机存储、数字家电、广播电视、车载导航和电子出版等领域。光存储正沿着CD—DVD—三维全息存储的方向发展。
近年来，有机及有机/无机复合光电材料与器件研究和应用取得了重大进步和发展，引起了国际光电学术界、产业界的高度重视。有机材料以其快速、高密度、廉价等优点成为正在崛起的新一代光电信息材料。以有机材料为基础的光电器件，如OLED、 塑料光纤、有机薄膜激光器、聚合物基全息光存储器、有机波导器件、有机晶体管与场效应管、有机光开关等的开发和产业化将推动光电产业到达一个新的高度。
1.3 本书的理论基础
1.3.1 光电转换材料与器件
光电转换依据的是光电效应原理，光电效应原理为物质在光辐射作用下释放出电子的现象，光电现象由赫兹首先发现，但爱因斯坦第*个成功地解释了光电效应。爱因斯坦认为，一个光子的能量传递给金属中的单个电子，当电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分就变成电子离开金属表面后的动能，爱因斯坦光电效应方程为
12mv2=hν-W（1-1）
式中，h为普朗克常量；ν为光频率；12mv2为光电子的动能；W为光电子逸出金属表面所需的*小能量，称为金属的逸出功。发射出来的电子称为光电子。
光电效应分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应是指在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象，其又称光电发射效应。内光电效应指光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象，其又分为光电导效应和光生伏特效应（即光伏效应）。光电导效应是在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率变化的现象。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上，使光导体的电导率变大。光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电效应和光伏效应有较大区别。从定义上来说，光电效应其实是光伏效应的前提，光伏效应是光电效应作用于半导体这一特殊场所，从而产生了电势差。材料上，产生光伏效应的材料只能是半导体，而光电效应材料还可以是金属。光伏效应是少数载流子过程，是半导体中少数载流子吸收光子后在PN结两端产生电势差，而光电效应是半导体或金属在光子激励下辐射出自由电子，并且克服表面势垒后逸出表面向外发射电子。光伏效应中载流子不能离开材料，后者可以离开材料。前者对于光谱有一定的吸收谱并且与光强有关，而后者存在截止波长电子逸出速度与光强无关，只与频率有关。
通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料，主要用于制作太阳能电池。光电转换材料的工作原理如下：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。目前无机硅光伏打电池（简称光伏电池）的*高能量转换效率已经达到24%，砷化镓半导体的光伏电池的能量转换效率甚至已经达到32%。但它们对材料的纯度和制作工艺要求苛刻，且在制造过程中会产生一些剧毒物质，此外无机光伏电池的非柔韧性和不易加工等缺点也限制了其大面积化的应用进程。基于共轭聚合物的光伏电池，或称聚合物太阳能电池，既具备了共轭聚合物分子设计灵活、制作方法简单、生产成本低廉、能够制备大面积的柔性器件的优点，又继承了无机纳米晶载流子的迁移率高、化学稳定性好等优点，因而受到极大的关注。
1.3.2 电光转换材料与器件
固体发光材料在电场激发下发光的现象称为电致发光，它是将电能直接转换为光能的过程，利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如LED、液晶显示器、半导体激光器等。LED利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白等任意颜色的光。具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。LED灯具就是利用LED作为光源制造出来的照明器具，已被广泛应用于照明、显示、指示等领域。OLED又称为有机电激发光，它使用有机聚合材料作为发光二极管中的半导体材料。OLED技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够节省电能。OLED显示技术广泛地运用于手机、数码摄像机、DVD播放机、PDA、笔记本电脑、汽车音响和电视等。
1.3.3 透明导电材料
透明导电材料是一类对可见光具有高透光率，同时又具有高导电率的特殊材料，如掺锡氧化铟（ITO）、纳米金属线、石墨烯等。由于特有的光电性能，透明导电材料具有广泛的应用。在许多近代电子信息技术、光电技术、新能源技术及国防技术中，透明导电材料的设计、制造及使用工艺是一项必不可少的关键技术。例如，在触摸显示屏中，透明导电材料是必不可少的电极材料。在光伏太阳能电池中，高透光率的电极材料可以保证光伏电池能够充分吸收太阳光。在建筑玻璃表面镀上一层高透光、高导电率的薄膜，可以有效地阻止红外辐射的进入或逃离，大幅度提高建筑的节能效果。透明导电薄膜还可以有效地屏蔽电磁辐射，因此在航空、通信等国防工业领域也有着重要的应用。