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1第1頁/共104頁2白光LED的原理和應(yīng)用第2頁/共104頁3白色LED照明燈地磚燈禮品燈手電筒第3頁/共104頁4360°LED環(huán)形顯示器第4頁/共104頁5360°LED環(huán)形顯示器第5頁/共104頁6發(fā)光二極管(LED)第6頁/共104頁7發(fā)光二極管(LED)第7頁/共104頁8發(fā)光二極管(LED)第8頁/共104頁9電壓:LED使用低壓電源,供電電壓在6-24V之間,根據(jù)產(chǎn)品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源,特別適用于公共場所。效能:消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性:很小,每個單元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制備成各種形狀的器件,并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性:10萬小時,光衰為初始的50%響應(yīng)時間:其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,LED燈的響應(yīng)時間為納秒級.發(fā)光二極管(LED)第9頁/共104頁10對環(huán)境污染:無有害金屬汞顏色:改變電流可以變色,發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法,調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙,實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED,隨著電流的增加,可以依次變?yōu)槌壬S色,最后為綠色價格:LED的價格比較昂貴,較之于白熾燈,幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng),而通常每組信號燈需由上300~500只二極管構(gòu)成。發(fā)光二極管(LED)第10頁/共104頁11發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管及發(fā)光二極管顯示器(LED)LED用材料及發(fā)光機(jī)制LED的制作工藝各種LED及其特性LED顯示器的各種用途及發(fā)展前景LED的其他應(yīng)用研究課題與展望第11頁/共104頁121.1發(fā)光二極管
發(fā)光二極管(lightemittingdiode,LED),顧名思義,是由半導(dǎo)體制作的二極管的一種。眾所周知,二極管具有整流作用,即在其兩極上施加電壓時,僅能單方向通過電流。所謂發(fā)光二極管是指當(dāng)在其整流方向施加電壓(稱為順方向)時,有電流注人,電子與空穴復(fù)合,其一部分能量變換為光并發(fā)射的二極管。這種LED由半導(dǎo)體制成,屬于固體元件,工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠性高,其連續(xù)通電時間(壽命)可達(dá)105h以上。LED元件與一般半導(dǎo)體元件一樣,也被稱為芯片(chip),其尺寸通常為數(shù)百微米見方,是很小的。LED的發(fā)光顏色,與白熾燈等發(fā)出的白色光等不同,而是近于單色光,換句話說,其發(fā)光的光譜是很窄的。通過選擇半導(dǎo)體材料,目前生產(chǎn)的發(fā)光二極管可以發(fā)射紅外、紅、橙、黃、綠、藍(lán)等范圍相當(dāng)寬的各種各樣的顏色。發(fā)光二極管(LED)第12頁/共104頁13LED的開發(fā)經(jīng)歷及今后展望
LED的注人型發(fā)光現(xiàn)象是1907年H.J.Round在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)的。1923年O.W.Lossew在S的點接觸部位觀測到發(fā)光,從而使注人型發(fā)光現(xiàn)象得到進(jìn)一步確認(rèn)。1952年J.R.Haynes等在鍺,硅的P-N結(jié),以及1955年G.A.Wolff在GaP中相繼觀測到發(fā)光現(xiàn)象。一般認(rèn)為,至此為LED的萌芽期發(fā)光二極管(LED)第13頁/共104頁1420世紀(jì)60年代可以說是基礎(chǔ)技術(shù)的確立時期。從1962年P(guān)ankove觀察到GaAs中P-N結(jié)的發(fā)光開始,相繼發(fā)表關(guān)于GaAs,GaP,GaAsP,ZnSe等單晶生成技術(shù)、注人發(fā)光現(xiàn)象的大量論文,1968年GaAsP紅色LED燈投人市場,1969年R.H.Saul等人發(fā)表GaP紅色LED的外部發(fā)光效率達(dá)7.2%,從此實用化的研究開發(fā)加速展開此后,在70~80年代,由于基板單晶生長技術(shù)、P-N結(jié)形成技術(shù)、元件制造、組裝自動化等技術(shù)的迅速進(jìn)步。近年來,采用高輝度紅色、綠色LED的平面顯示元件已廣泛用于各種信息顯示板。對于最難實現(xiàn)的藍(lán)色LED,采用了SiC,數(shù)年前也達(dá)到了實用化,已有顯示燈產(chǎn)品供應(yīng)市場發(fā)光二極管(LED)第14頁/共104頁152.1晶體結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu)
LED的發(fā)光來源于電子與空穴發(fā)生復(fù)合時放出的能量。作為LED用材料,一是要求電子與空穴的輸運效率要高;二是要求電子與空穴復(fù)合時放出的能量應(yīng)與所需要的發(fā)光波長相對應(yīng),一般多采用化合物半導(dǎo)體單晶材料。眾所周知,在半導(dǎo)體中,根據(jù)晶體中電子可能存在的能態(tài)有價帶、導(dǎo)帶、禁帶之分。來自半導(dǎo)體單晶的發(fā)光,是穿越這種材料固有禁帶的電子與價帶的空穴復(fù)合時所產(chǎn)生的現(xiàn)象。
發(fā)光二極管(LED)第15頁/共104頁16
Si、Ge等IV族元素單晶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),屬于圖7-2(a)所示的金剛石結(jié)構(gòu);GaAs、GaP、ZnSe等化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),屬于圖7-2(b)所示的閃鋅礦結(jié)構(gòu);GaN具有如圖7-2(c)所示的纖鋅礦結(jié)構(gòu),屬于六方點陣。
半導(dǎo)體元素,有大家所熟知的、位于周期表上第IV族的S、Ge,它們作為半導(dǎo)體集成電路用材料,在現(xiàn)代電子工業(yè)中起著不可替代的作用。LED用材料,有由III族的Al、Ga、n與V族的N、P、As等兩種以上元素相結(jié)合而成的Ill—V族,由II族的Zn與VI族的S、Se相結(jié)合而成的II—VI族,由Si與C相結(jié)合而成的IV—IV族等化合物半導(dǎo)體。發(fā)光二極管(LED)第16頁/共104頁17發(fā)光二極管(LED)第17頁/共104頁18
一般說來,能帶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系很大,化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與金剛石型的能帶結(jié)構(gòu)相類似。表7-1給出各種半導(dǎo)體晶體的特性。發(fā)光二極管(LED)第18頁/共104頁19半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度/eV(300K)點陣常數(shù)/àSi金剛石間接1.125.43Ge金剛石間接0.665.66AlP閃鋅礦間接2.455.46GaP閃鋅礦間接2.245.45InP閃鋅礦直接1.354.87AlAs閃鋅礦間接2.135.66GaAs閃鋅礦直接1.435.65GaN纖鋅礦直接3.39a=3.18b=5.16ZnSe閃鋅礦直接2.675.67SiC(α)六方晶間接2.86a=3.08b=15.12發(fā)光二極管(LED)第19頁/共104頁20為了制取發(fā)光效率高的LED,在電子與空穴發(fā)生復(fù)合放出能量時,除了要考慮復(fù)合前后的能量之外,還應(yīng)保持動量守恒。可獲得最高發(fā)光效率的復(fù)合過程是電子與空穴的最初動量相同,因復(fù)合而放出的能量全部變成光,而動量卻不發(fā)生變化,這種情況如圖7-3(a)所示。其能帶結(jié)構(gòu)的特點是,在價帶頂與導(dǎo)帶底不存在動量差,這種半導(dǎo)體發(fā)生的復(fù)合稱為直接躍遷型。發(fā)光二極管(LED)第20頁/共104頁21發(fā)光二極管(LED)第21頁/共104頁22
對于電子與空穴的初始動量不同的情況,為了保持動量守恒,需要熱、聲等晶格振動參與遷移過程,因此發(fā)生復(fù)合的幾率變得很低,這種初始動量不同的電子、空穴的復(fù)合稱為間接躍遷型,其能帶結(jié)構(gòu)如圖7-3(b)所示。發(fā)光二極管(LED)第22頁/共104頁23發(fā)光二極管(LED)第23頁/共104頁24
另外,如圖7-3(c)所示,通過在導(dǎo)帶與價帶之間加人被稱作等電子捕集器(isoelectronictrap)的雜質(zhì)中心,也可以使像GaP這種間接遷移的情況達(dá)到很高的發(fā)光效率。發(fā)光二極管(LED)第24頁/共104頁25發(fā)光二極管(LED)第25頁/共104頁262.2發(fā)光機(jī)制及發(fā)光波長
LED的發(fā)光源于電子與空穴的復(fù)合,其發(fā)光波長是由復(fù)合前空穴和電子的能量差決定的。對于直接躍遷型材料,晶體發(fā)光的波長決定于禁帶寬度Eg,發(fā)光波長可由關(guān)系式λ=1240/Eg求出。為了得到可見光,Eg必須在1.6eV以上。如圖7-3所示.在能帶結(jié)構(gòu)中,由于導(dǎo)帶、價帶都為拋物線形狀,因此發(fā)光譜兩端都會有不同程度的加寬現(xiàn)象,其半高寬一般為30~50nm。發(fā)光二極管(LED)第26頁/共104頁27
紅外LED中一般使用直接遷移型材料,如GaAs,GaAlAs,InGaAsP等。但也有用摻雜Si的GaAs制作的LED,通過在比價帶高的能量位置形成的所謂受主能級與導(dǎo)帶的電子發(fā)生復(fù)合的機(jī)制,其發(fā)光波長為940nm,比GaAs禁帶寬度對應(yīng)的發(fā)光波長880nm更長些。發(fā)光二極管(LED)第27頁/共104頁28
紅色LED的中心材料是以Zn-O對作為發(fā)光中心的GaP,Zn-O對在其中起等電子捕集器的作用。GaP為間接躍遷型,在其中導(dǎo)入雜質(zhì)Zn-O對作為發(fā)光中心,已實現(xiàn)較高效率的紅色LED,發(fā)光波長為700nm,晶體不發(fā)生自吸收現(xiàn)象,可以在低電流密度下獲得高輝度。
發(fā)光二極管(LED)第28頁/共104頁29在橙色、黃色LED中,使用的是以N為等電子捕集器的GaAsP;在綠色LED中,使用的是摻雜有高濃度N的間接遷移型GaP。而且,在純綠色LED中,正在使用不摻入雜質(zhì)的GaP。發(fā)光二極管(LED)第29頁/共104頁30
藍(lán)色LED需要采用禁帶寬度大的材料已經(jīng)在研究開發(fā)的有SiC,GaN,ZnSe,ZnS等。SiC是容易形成P-N結(jié)的材料,屬于間接躍遷型,依靠摻入雜質(zhì)Al和N能級間的躍遷產(chǎn)生發(fā)光。GaN,ZnSe,ZnS為直接躍遷型,可獲得高輝度發(fā)光。這些材料的研究開發(fā)近年來獲得重大突破,高輝度藍(lán)色LED正在達(dá)到實用化。發(fā)光二極管(LED)第30頁/共104頁312.3電流注入與發(fā)光
實際LED的基本結(jié)構(gòu)要有一個P-N結(jié)。當(dāng)在P-N結(jié)上施加順向電壓,即P型接正,N型接負(fù)的電壓,會使能壘降低,從而使穿越能壘的電子向P型區(qū)擴(kuò)散,使穿越能壘的空穴向N型區(qū)擴(kuò)散的量增加。通常稱此為少數(shù)載流子注入,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合從而放出光。隨電壓增加,達(dá)到一定值,電流急劇增加,光發(fā)射開始。電流開始增加時對應(yīng)的電壓相應(yīng)于P-N結(jié)勢壘的高度,稱該電壓為起始電壓,起始電壓隨LED材料及元件的結(jié)構(gòu)不同而不同,GaAs為1.0~1.2V,GaAIAs為1.5~1.7V,GaP為1.8V,SiC為2.5V等等。發(fā)光二極管(LED)第31頁/共104頁322.4發(fā)光效率、光輸出及亮度注入LED的載流子變換為光子的比率稱為內(nèi)部量子效率;而射出晶體之外的光子與注入載流子之比稱為外部量子效率。由于在P-N結(jié)附近發(fā)生的光會受到晶體內(nèi)部的吸收以及反射而減少,一般說來,外部量子效率要低于內(nèi)部量子效率。市售LED產(chǎn)品的外部量子效率,紅色的大約為15%,從黃色到綠色的則在0.3%~l%范圍內(nèi),藍(lán)色的大約為3%。發(fā)光二極管(LED)第32頁/共104頁33
LED的發(fā)光效率與其能量收支相關(guān),其數(shù)值可表示為載流子向P-N結(jié)的注入效率、載流子變?yōu)楣獾淖儞Q效率、產(chǎn)生的光到達(dá)晶體外部的光取出效率三者的乘積。為獲得較高的發(fā)光效率,一般要采取各種措施,例如在結(jié)構(gòu)上采取讓光通過一般說來吸收率較小的N型半導(dǎo)體,為防止由于晶體表面反射造成的損失,在晶體表面涂覆高折射率的薄膜等等。發(fā)光二極管(LED)第33頁/共104頁34
對于顯示用可見光LED來說,不僅僅是要求光輸出要大,重要的是與視感度相關(guān)的發(fā)光效率。人眼的視感度對555nm的綠色出現(xiàn)峰值,而后急速下降。光輸出中與視感度相關(guān)的部分稱為光度,光度是顯示用可見光LED的輝度指標(biāo)。發(fā)光二極管(LED)第34頁/共104頁352.5變頻特性
在LED中,由容抗及電阻決定的時間常數(shù)非常小,因此其調(diào)頻速度決定于載流子的壽命τ,而后者與載流子注人之后,經(jīng)過復(fù)合,再到載流子消失所用的時間相對應(yīng)。也就是說,隨著注人電流的變化加速,載流子密度逐漸不能追隨注人電流的變化,響應(yīng)速度變慢,發(fā)光強度慢慢下降。與低周波變頻時相比,當(dāng)高周波變頻時的發(fā)光強度降低1.5dB時的周波數(shù)稱為截止周波數(shù)fc,并由下式表示fc=1/(2πτ)發(fā)光二極管(LED)第35頁/共104頁36
在LED中,發(fā)光強度與截止周波數(shù)通常按折衷((trade-off)關(guān)系處理。載流子壽命τ長,發(fā)光延續(xù)的時間亦長,從而發(fā)光強度高,但同時截止周波數(shù)變低。通過在活性區(qū)高濃度摻雜雜質(zhì),因存在晶體缺陷及俄歇效應(yīng)等,非發(fā)光復(fù)合的比例增加,從而可使載流子壽命變短。在要求高速響應(yīng)的光通訊用紅外LED中,截止周波數(shù)從數(shù)十兆赫到100MHz以上;另一方面,在高輝度可見光LED中,截止周波數(shù)大致在IMHz上下。發(fā)光二極管(LED)第36頁/共104頁372.6LED與激光二極管
如果說LED是由向P-N結(jié)注人電流的載流子復(fù)合時放出光(自然發(fā)射光)并向外取出的元件,激光二極管(LD)則進(jìn)一步是通過所設(shè)置的光波導(dǎo)及共振器等,將放出光的一部分返回,并利用誘導(dǎo)放出,使光的強度升高的發(fā)光振器。所謂誘導(dǎo)放出,是通過光對活性區(qū)大量存在的電子與空穴狀態(tài)多次激發(fā),使其發(fā)生復(fù)合,放出光,而放出光的位相與此時輸人光的位相相同,因此光的強度增強。
發(fā)光二極管(LED)第37頁/共104頁38
圖7-7表示LD的基本構(gòu)造及其能帶結(jié)構(gòu)。在薄的活性層兩側(cè),用禁帶寬度比活性層的禁帶寬度更寬的半導(dǎo)體形成P-N結(jié)。發(fā)光二極管(LED)第38頁/共104頁393.1單晶制作技術(shù)利用水平布里奇曼(Bridgman)法(又稱為HB法或舟皿生長法)及液體保護(hù)旋轉(zhuǎn)提拉法(又稱為液體保護(hù)切克勞斯基(Czochralski)法或LEC法)可以制備這種塊狀單晶,這兩種方法都屬于可以獲得大型基板單晶體的熔液生長法。GaP單晶可由圖7-8所示的LEC法單晶拉制裝置來制造。發(fā)光二極管(LED)第39頁/共104頁40發(fā)光二極管(LED)第40頁/共104頁41GsAs單晶由控制溫差的HB法制作發(fā)光二極管(LED)第41頁/共104頁42對于其他材料來說,正在進(jìn)行制作的有外延三元混晶(GaAsP,InGaP,InGaAs等)用的基板單晶,如InGaAs(LEC法)及InGaP(蒸汽壓控制法),II-VI族化合物單晶如ZnSe(布里奇曼法、seededphysicalvaportransport法、帶籽晶的物理氣相輸運法)、ZnS(碘輸運法)、SiC(升華法)等關(guān)于單晶生長,今后的研究課題是,減少雜質(zhì)、提高組成及雜質(zhì)分布的均勻性,減少缺陷及位錯密度。因此,生長過程的計算機(jī)模擬及生長中的監(jiān)控越來越重要。目前正在研究開發(fā)的有通過裝有籽晶的超聲波傳感器,對生長中晶體的結(jié)晶生長進(jìn)行監(jiān)控的方法,通過X射線透視裝置進(jìn)行監(jiān)控的方法等。而且,單晶的分析評價技術(shù)對于單晶體的制作來說是必不可少的。發(fā)光二極管(LED)第42頁/共104頁433.2外延技術(shù)
液相外延(liquidphaseepitaxy,LPE)法從原理上說是溶液冷卻法,即利用溶解度相對于溫度的變化,通過飽和溶液的冷卻,使過飽和的溶質(zhì)部分在基板表面析出的方法。在LPE法中,利用源的烘烤,可以獲得高純度的優(yōu)良單晶,而且生長速率大,現(xiàn)已用于GaP,GaAs,InP系的LED的批量化生產(chǎn)。紅、綠色LED用的GaP,紅色LED用的GaAIAs,紅外LED用的GaAs,長波長LED用的InGaAsP都是通過LPE法制作的。發(fā)光二極管(LED)第43頁/共104頁44
從原理上說是溶液冷卻法,即利用溶解度相對于溫度的變化,通過飽和溶液的冷卻,使過飽和的溶質(zhì)部分在基板表面析出的方法。發(fā)光二極管(LED)第44頁/共104頁45發(fā)光二極管(LED)第45頁/共104頁46
氣相外延(vaporPhaseepitaxy,VPE)法,如圖7-11所示,是使III族金屬源氣體與V族鹵化物或氫化物通過開管式反應(yīng)而進(jìn)行的氣相生長法,適合批量生產(chǎn),目前紅、橙、黃色LED用的GaAsP就是用這種方法制作的。發(fā)光二極管(LED)第46頁/共104頁47發(fā)光二極管(LED)第47頁/共104頁48
分子束外延(molecularbeamepitaxy,MBE)法,如圖7-12所示,是使PBN小孔坩堝中的固體加熱氣化,得到的分子束射向加熱到一定溫度的基板單晶上進(jìn)行單晶生長的方法。其特點是組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好發(fā)光二極管(LED)第48頁/共104頁49發(fā)光二極管(LED)第49頁/共104頁50
有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(metal-organicchemicalvapordeposition,MOCVD)法,對于Ill-V族化合物來說,是以Ill族金屬的烷基金屬化合物為原料,V族元素以氫化物為原料的氣相生長法;以H2為載帶氣體,在常壓或減壓的氣氛中,在加熱到一定溫度的基板單晶上,在保持V族元素過剩的條件下,使氣相原料之間發(fā)生反應(yīng)的單晶生長法。其裝置示意見圖7-13。其特點與MBE相似,組成、膜厚的可控制性及均勻性都很好,是適于批量生產(chǎn)的單晶生長法。發(fā)光二極管(LED)第50頁/共104頁51發(fā)光二極管(LED)第51頁/共104頁523.3摻雜技術(shù)向化合物半導(dǎo)體單晶中摻雜雜質(zhì)有各種不同的方法。在LPE法中,通過向熔液中添加各種雜質(zhì),即可獲得具有所要求的電導(dǎo)率、特定載流于濃度的單晶體。在VPE、MBE、MOCVD方法中,或者使固態(tài)的雜質(zhì)蒸發(fā),或者添加含有雜質(zhì)的氣態(tài)化合物,以獲得所要求的電導(dǎo)率及載流子濃度等。摻人雜質(zhì)的量可以獨立控制,重復(fù)性、可控制性都較好。擴(kuò)散摻雜仍然是最重要的摻雜方法之一。擴(kuò)散摻雜法分閉管式(真空閉管式)和開管式兩種,后者操作簡單,適合于大直徑晶片及批量化生產(chǎn)。發(fā)光二極管(LED)第52頁/共104頁53發(fā)光二極管(LED)第53頁/共104頁54近年來,出現(xiàn)一些新的擴(kuò)散方法,例如通過Zn及S的離子注人層以及電子束(electronbeam,EB)蒸鍍的Si層,利用快速燈退火進(jìn)行摻雜,但由于易產(chǎn)生晶體缺陷及結(jié)淺等原因,不適于LED的制作。選擇擴(kuò)散用掩模一般用SiO2及SiNx等,但由于它們與GaAs的熱膨脹系數(shù)不同容易造成應(yīng)變等,在與掩模的界面處,會產(chǎn)生由擴(kuò)散引起的所謂“鳥嘴”現(xiàn)象。為了防止其發(fā)生,可用Si作擴(kuò)散掩模,而在進(jìn)行Si的擴(kuò)散時,可以用Si膜作擴(kuò)散源。今后的課題是提高摻雜的均勻性以及采用無掩模的選擇摻雜技術(shù)等發(fā)光二極管(LED)第54頁/共104頁553.4元件制作及組裝技術(shù)
LED的制作分前道(外延)、中道(芯片)、后道(封裝)技術(shù)。具體說來,包括下述工序:由單晶生長及擴(kuò)散制作P-N結(jié)形成電極;解理或劃片,將晶片分割成一個個的芯片;包覆保護(hù)膜;對芯片檢測分級;將芯片固定于引線框架中;引線鍵合;樹脂封裝;檢查并完成成品。發(fā)光二極管(LED)第55頁/共104頁56
對LED的檢查項目包括:VI特性,CV特性,電流—輝度(功率)特性,發(fā)光峰波長,發(fā)光譜半高寬,響應(yīng)速度,發(fā)光效率,溫度特性,角度特性,壽命等;此外還有電流、電壓、溫度的最高允許值等。對光通訊應(yīng)用來說,需要測定光輸出,截止周波數(shù),在光纖端的輸出,耦合損失,指向特性,靜電破壞特性等。在上述的LED組裝、檢查工藝中,還需要實現(xiàn)自動化以提高效率、降低價格。發(fā)光二極管(LED)第56頁/共104頁57在LED領(lǐng)域,最近十余年間,在單晶生長方法、新材料等的研究方面獲得了十分突出的進(jìn)展最常見的紅光LED,十余年間其光度得到飛躍性的提高。其原因是由于采用了由直接躍遷型化合物半導(dǎo)體GaAIAs構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),目前已出現(xiàn)軸上光度超過3000mcd(20mA)的制品。在橙、黃色LED中,采用紅色LED所用的材料GaAsP,使其發(fā)光波長縮短,再加上近年來新開發(fā)的InGaAlP混晶材料,實現(xiàn)了高輝度LED。發(fā)光二極管(LED)第57頁/共104頁58在LED領(lǐng)域,難度最大的當(dāng)數(shù)藍(lán)色LED。研究人員針對SiC、GaN、ZnSe、ZnS等材料已經(jīng)進(jìn)行過多年的研究開發(fā)。但是,對于這些材料來說,由于存在難以實現(xiàn)的問題,例如難以實現(xiàn)P型單晶,不能得到大塊的基板單晶,不容易做成具有優(yōu)良結(jié)晶性的P-N結(jié)等一系列問題,很難制作與其他顏色LED的亮度相匹配的藍(lán)色LED元件,自然也就談不上批量生產(chǎn)。但是在最近數(shù)年間,在各種各樣的材料方面都獲得十分顯著的技術(shù)進(jìn)步,已經(jīng)生產(chǎn)出亮度可與高輝度紅色LED相匹敵的藍(lán)色LED制品。發(fā)光二極管(LED)第58頁/共104頁594.1GaP:ZnO紅色LED
GaP紅色LED于1970年前后開始工業(yè)化生產(chǎn),為LED的主要產(chǎn)品類型?,F(xiàn)在的可見光LED燈中,利用GaP材料的占相當(dāng)大的比例?;鍐尉镚aP,通過LPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。在這種LED中,發(fā)光機(jī)制是基于間接躍遷型半導(dǎo)體中等電子捕集器雜質(zhì)中心的發(fā)光,以Zn-O最近鄰對作為發(fā)光中心,可以獲得實用的發(fā)光效率(批量生產(chǎn)時5%,最高達(dá)15%)。這種LED在高電流密度區(qū)域,發(fā)生效率達(dá)到極限值,因此多數(shù)在低電流下使用。其顯示元件彩色鮮明,靈巧輕便,多用于室內(nèi)的各種機(jī)器設(shè)備中。發(fā)光二極管(LED)第59頁/共104頁604.2GaP:N綠色LED
綠色LED的發(fā)光效率近年來也獲得顯著提高。綠色LED的材料與上述的摻ZnO的紅色LED的材料相同,也是GaP,即在GaP基板單晶上用LPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。一般市售綠色LED按其發(fā)光峰值波長的大小可分為二大類,一類是為了提高發(fā)光效率,在生長層中添加與P屬于同族的氮(N)作為等電子捕集器,這種LED的發(fā)光峰值波長為565nrn,為略帶黃色的綠色,盡管發(fā)光效率較低,一般為0.3%~0.7%,但相對視感度比紅色高10倍以上,顯得非常明亮。其軸上光度一般在500mcd(20mA)以上,也可用于室外顯示器。另一類為純綠色LED,在制作過程中不添加氮,其發(fā)光峰值波長為555nm。發(fā)光效率比前一類要低,但也可以制作出發(fā)光效率高于0.1%的制品,其軸上光度可以達(dá)到200mcd(20mA)較高的值。發(fā)光二極管(LED)第60頁/共104頁614.3GaAsP系紅色LED
在GaAsP系單晶體中,隨著GaAs1-xPx的成份比x的變化,可以獲得從紅外(x=0)到綠色(x=1)的發(fā)光。先在單晶基板上通過VPE法生長N型GaAsP,而后經(jīng)擴(kuò)散Zn,形成發(fā)光用的P-N結(jié)。當(dāng)基板單晶采用GaP時,由P-N結(jié)(x=0.55的GaAs1-xPx單晶)發(fā)出的峰值波長為650nrn的光受基板單晶的吸收少,從而可提高LED的發(fā)光效率,其發(fā)光效率在批量生產(chǎn)的情況為0.2%,而最高可達(dá)0.5%。對于GaAsP以及GaP紅色LED來說,隨著GaP基板單晶生長技術(shù)的完善,發(fā)光層結(jié)晶性的提高以及摻雜技術(shù)的改進(jìn),其發(fā)光效率不斷提高,輝度年年都有改進(jìn)。隨著批量生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善,上述兩種紅色LED的價格都降到較低的水平。發(fā)光二極管(LED)第61頁/共104頁624.4GaAsP系橙色、黃色LED
采用GaAsP的橙色·黃色LED,其基板單晶為GaP,利用VPE法形成發(fā)光用的P-N結(jié)。當(dāng)GaAs1-xPx的組成比x與紅色LED的相比逐漸變大時,發(fā)光波長會向短波長方向轉(zhuǎn)變。與此相伴,為了改善其能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型的缺點,摻入1018m-3的氮作為等電子捕集器發(fā)光中心,以提高其發(fā)光效率。x值為0.65及0.75時,分別對應(yīng)發(fā)光峰值波長為630nrn及610nrn的橙色LED,其發(fā)光效率大致在0.3%~0.6%。隨著x的進(jìn)一步增加,對應(yīng)發(fā)光峰值波長為590nrn(x=0.85)及583nrn(x-0.90)的黃色LED,但其發(fā)光效率減小到0.1%~0.2%左右。發(fā)光二極管(LED)第62頁/共104頁634.5GaAlAs系LED
Ga1-xAIxAsLED為發(fā)光峰值波長為660nm的紅色LED,它是為了克服前述的GaP及GaAsP紅色LED因達(dá)到飽和,輝度難以提高的缺點而開發(fā)的。如圖7-15所示,在X<0.35(直接遷移型)的范圍內(nèi),隨著改變AI與As的組成比,Ga1-xAIxAs的發(fā)光峰值波長可從640nm到900nm的范圍內(nèi)變化。外延生長采用通常的LPE法,由于與GaAs基板單晶的晶格匹配性好,生長層的晶體缺陷少。發(fā)光二極管(LED)第63頁/共104頁64
為了改善發(fā)光效率,在Al的組分高、帶隙寬的GaAIAs中,采用了光取出效率較高的單異質(zhì)結(jié)(SH)結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開發(fā)了將發(fā)光層夾于其間,將載流子封閉于發(fā)光層之內(nèi)的雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)。對基板單晶也采取了措施,例如不采用GaAs,而是采用對于發(fā)光峰值波長(660nm)透明的GaAIAs等,以提高光的取出效率。發(fā)光二極管(LED)第64頁/共104頁65
由于采取了上述一系列措施,發(fā)光效率獲得驚人的提高,以批量生產(chǎn)的外部量子效率(發(fā)光效率)為例,采用SH結(jié)構(gòu)的可達(dá)3%(軸上光度500mcd,20mA),采用DH結(jié)構(gòu)的可達(dá)15%(軸上輝度3000mcd,20mA)。因此,其應(yīng)用領(lǐng)域正在向汽車用的高亮度后制動信號燈及道路狀況顯示板、廣告牌等室外用的各種顯示器擴(kuò)展。發(fā)光二極管(LED)第65頁/共104頁66發(fā)光二極管(LED)第66頁/共104頁674.6InGaAlP系橙色、黃色LEDInGaAIP是近年來達(dá)到實用化的混晶材料,具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)。利用這種材料可以提高橙·黃色LED的輝度。特別是,由InP與Ga1-xAIxP構(gòu)成的In0.5(Ga1-xAIx)0.5P混晶,與GaAs基板單晶的晶格匹配,混晶比x從0到0.6前后(對應(yīng)的發(fā)光波長從660nrn到555nm)為直接遷移型,因此可期望制作出從紅色到綠色范圍相當(dāng)寬的高發(fā)光效率LED。
發(fā)光二極管(LED)第67頁/共104頁68
采用上述InGaAIP已開發(fā)出高輝度(光度1000mcd以上)橙色(約620nm)LED。晶體生長采用減壓MOCVD,并形成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。同時,為了提高內(nèi)部發(fā)光效率,需要采用最佳雜質(zhì)濃度及平面度、平整度要求嚴(yán)格的基板單晶。發(fā)光二極管(LED)第68頁/共104頁69
圖7-16為InGaAIP橙色LED元件的斷面結(jié)構(gòu),圖7-17表示其發(fā)光光譜。對于黃色LED(波長590nm)來說,在研究階段就已經(jīng)達(dá)到與橙色LED相同程度的光度(1000mcd)特別是最近,在采用光阻斷基板的同時,通過在元件內(nèi)部形成電流擴(kuò)散層及黑色反射層等,已開發(fā)出發(fā)光峰值波長566nrn,光度800mcd的黃綠色LED。發(fā)光二極管(LED)第69頁/共104頁70發(fā)光二極管(LED)第70頁/共104頁714.7GaN系藍(lán)色LED
GaN具有直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu),從發(fā)光效率來說占有優(yōu)勢,但是存在難以獲得大塊基板單晶、很難制作P型單晶等問題。為此,采用VPE法,在藍(lán)寶石基板單晶上生長N型GaN,在其單晶生長面上通過擴(kuò)散Zn形成I層,由此得到了具有MIS結(jié)構(gòu)的藍(lán)色LED,其發(fā)光效率為0.03%,當(dāng)電流為10mA時軸上光度達(dá)到10mcd。但是存在重復(fù)性很差等不少問題,為了實現(xiàn)高輝度需要提高材料的結(jié)晶性以及降低工作電壓等,必須采取新的單晶生長方法來制造。發(fā)光二極管(LED)第71頁/共104頁72
為此,采用MOVPE法在藍(lán)寶石基板單晶上以低溫沉積的氮化鋁(AIN)為緩沖層,進(jìn)行GaN的生長,獲得了質(zhì)量比較高的單晶體。有人進(jìn)一步通過電子束照射處理,證明此法對受主雜質(zhì)的活性化十分有效,并且首先制成了顯示P型電導(dǎo)性的GaN單晶體。這種單晶體是將摻雜有鎂(Mg)的高電阻率GaN(GaN:Mg)經(jīng)電子束照射,使其電氣特性發(fā)生變化,由此獲得電阻率大致為數(shù)十歐·厘米的P型單晶。這種GaN層的P型化,通過熱退火處理也可以實現(xiàn),而且用GaN代替AlN作緩沖層,可以獲得更高載流子濃度的P型層。發(fā)光二極管(LED)第72頁/共104頁73
基于上述技術(shù),最近GaN系藍(lán)色LED的特性得到明顯提高。據(jù)報道,由于在發(fā)光層中采用了由InGaN構(gòu)成的DH結(jié)構(gòu),在發(fā)光波長450nrn的藍(lán)色LED中,光度已達(dá)到2500mcd;在發(fā)光波長500nm的藍(lán)綠色LED中,光度已達(dá)2000mcd。上述數(shù)據(jù)已與目前采用GaAIAs的高輝度紅色LED的亮度不相上下,而比市售綠色LED的亮度還要高,實現(xiàn)了人們多年來一直追求的目標(biāo)。圖7-18給出具有InGaN/AIGaN雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)的藍(lán)色LED的示意圖。發(fā)光二極管(LED)第73頁/共104頁74發(fā)光二極管(LED)第74頁/共104頁754.8SiC藍(lán)色LED
在最早投入市場的藍(lán)色LED中用的材料就是SiC,與其他材料不同的是,SiC比較容易獲得P型單晶。SiC藍(lán)色LED的發(fā)光輝度,與紅色、綠色LED等相比,還略遜一籌,但隨著單晶生長技術(shù)的改進(jìn),其發(fā)光效率正在逐步提高。在LED的制作中,基板單晶采用6H型的SiC,利用LPE法或VPE法制作P-N結(jié)。最近,通過采用SiC基板單晶,在1700℃上下形成P-N結(jié),以提高材料的結(jié)晶性,在精確控制的條件下,利用氮施主和Al受主形成D-A對發(fā)光中心,在可靠性提高的同時,其發(fā)光效率獲得飛躍性的提高,輝度已達(dá)到30mcd(20mA)。這種SICLED的制作工序如圖7-19所示。發(fā)光二極管(LED)第75頁/共104頁76
關(guān)于SiC大型基板單晶的生長,一般采用真空升華法,需要2300oC的高溫,以多晶SiC為原料并置于高溫端,而在低溫端設(shè)SiC籽晶,可以長成高20mm的SiC單晶。采用這種方法還能獲得具有N型或P型電導(dǎo)性的單晶體。據(jù)報道,已有長成直徑34mm,高14mm的N型SiC單晶。顯然,基板單晶生長技術(shù)的進(jìn)展對于促進(jìn)SiC藍(lán)色LED的批量化生產(chǎn)是極為重要的。從目前的發(fā)展趨勢看,SiC藍(lán)色LED今后在提高發(fā)光效率、改善工藝、降低價格等方面會出現(xiàn)快速的發(fā)展。發(fā)光二極管(LED)第76頁/共104頁77發(fā)光二極管(LED)第77頁/共104頁784.9II-VI族藍(lán)色LED
在II-VI族化合物中,ZnSe、ZnS室溫下的能隙寬度分別為2.7eV和3.7eV,而且為直接遷移型半導(dǎo)體材料,極有希望用于高發(fā)光效率的藍(lán)色LED,而且近年來已獲得十分顯著的進(jìn)步。晶體生長方法以MBE和MOCVD為主,由于屬于低溫生長而且可保持原料的純度,從而能獲得優(yōu)質(zhì)的單晶體,而且,雜質(zhì)的摻雜可精確控制。上述因素為其在LED中的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。目前,II-VI族化合物半導(dǎo)體LED的制作尚處于研究開發(fā)階段,但有報告指出,采用ZnSe基板的試制品具有相當(dāng)高的發(fā)光效率。為了使采用II-VI族半導(dǎo)體材料的短波長發(fā)光器件達(dá)到實用化,還有不少問題需要解決,如與P型層間歐姆電極的制作,提高器件的可靠性,降低價格等,都需要進(jìn)一步研究開發(fā)。發(fā)光二極管(LED)第78頁/共104頁794.10全彩色LED
目前,由全彩色LED構(gòu)成的大屏幕顯示器正在試制中,一般是由SiC或GaN等藍(lán)色LED與由其他材料構(gòu)成的紅、綠色LED相組合,構(gòu)成混合型全彩色LED泡。最近各國都在采用前述的高發(fā)光效率的SiC藍(lán)色LED,GaP紅色及綠色LED,并做成LED泡,制成包括純白色發(fā)光在內(nèi)的可以多色發(fā)光的全彩色LED。圖7-20表示全彩色LED顯示泡的結(jié)構(gòu),圖7-21表示全彩色LED在CIE色度圖上的發(fā)光色度坐標(biāo)。為做成產(chǎn)品,需要進(jìn)行封裝,包括引線鍵合,澆注或模壓透明樹脂,采取相應(yīng)的散熱措施,引出電極等。由這種全彩色LED矩陣布置構(gòu)成大屏幕顯示器,顏色鮮明、醒目,具有比一般顯示器更接近自然的色彩,作為高品位信息及圖像顯示器具有良好的發(fā)展前景。發(fā)光二極管(LED)第79頁/共104頁80發(fā)光二極管(LED)第80頁/共104頁814.11紅外LED
盡管紅外LED的用途與普通顯示器的用途不同,在此也略加介紹。紅外LED的材料主要是GaAs,P型及N型雜質(zhì)都用Si,通過改變LPE單晶生長的條件,可控制Si原子的置換位置(置換Ga原子或As原子),并由此形成P-N結(jié)。相應(yīng)于這種情況,發(fā)光由深受主能級與導(dǎo)帶間的遷移引起,與GaAs的帶隙相對應(yīng),發(fā)光波長是相當(dāng)長的,發(fā)光效率很高,接近20%,但響應(yīng)速度慢。作為不需要高速響應(yīng)的光耦合器、光分離器等復(fù)合光學(xué)器件應(yīng)用更為廣泛。對于要求高速響應(yīng)的情況,在犧牲發(fā)光效率的情況下,或采用Zn擴(kuò)散的LED,或者由GaAIAs構(gòu)成的DH結(jié)構(gòu)。在這種情況下,波長降為900nm或更低。此外,最近在照相機(jī)的自動聚焦等需要高輸出的場合,以及遠(yuǎn)程控制用光源等,都在使用帶有由GaAIAs制作的DH結(jié)結(jié)構(gòu)的高輸出型紅外LED。發(fā)光二極管(LED)第81頁/共104頁82
LED在我們的日常生活中屢見不鮮,廣泛應(yīng)用于家用電器、音響設(shè)備、汽車及照相機(jī)等產(chǎn)品中。在這些產(chǎn)品中,LED或者用作顯示元件,通過顏色、數(shù)字、文字、符號等顯示機(jī)器設(shè)備的工作狀態(tài),向使用者提供必要的信息,或者用作各種用途的發(fā)光光源。在一些發(fā)達(dá)國家,LED顯示器的應(yīng)用更為普遍。從小店鋪的營業(yè)標(biāo)志到大商場的商品廣告,從加油站的價目牌到大飯店的大廳壁畫以及鬧市區(qū)的公共告示牌、運動場的比賽成績顯示板等都在應(yīng)用LED,其顯示鮮明、醒目,動態(tài)效果極好。在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用有自動售票機(jī)、進(jìn)站自動檢票口的信息顯示,火車車廂內(nèi)到站站名、時刻顯示、站內(nèi)列車時刻表、到達(dá)和發(fā)車車次顯示板等。在公路兩旁,都設(shè)有采用LED的夜間交通指示標(biāo)志、交叉路口路標(biāo)指示、前方道路通行狀態(tài)顯示等,由于大型動態(tài)的紅、黃色LED顯示板極為鮮明、醒目,無疑為汽車司機(jī)提供了很大的方便。下面,針對LED在顯示器中的基本應(yīng)用,分別加以簡單介紹。發(fā)光二極管(LED)第82頁/共104頁835.1指示燈
在LED的應(yīng)用中,首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號燈等。以前,作為顯示用光源,一直采用普通鎢絲白熾燈泡,但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場,特別是鑒于LED的許多優(yōu)點,指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常,LED的壽命在數(shù)十萬小時以上(在規(guī)定的使用條件下),為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動等特點,在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢。發(fā)光二極管(LED)第83頁/共104頁845.2數(shù)字顯示用顯示器利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示,有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖7-25所示,使LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列,按需要顯示的文字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進(jìn)行數(shù)字顯示,每個數(shù)字通常需要7行5列的矩陣,共35個元件。除數(shù)字之外,還可顯示漢語拼音字母、英文字符、羅馬字符、日文片假名等,其視認(rèn)性也很好。但是,從驅(qū)動的簡便性及價格等方面考慮,筆段型顯示方式更為有利。發(fā)光二極管(LED)第84頁/共104頁85發(fā)光二極管(LED)第85頁/共104頁86
筆段型數(shù)字顯示器如圖7-26所示,在LED芯片的周圍設(shè)置反射框,芯片上方或者裝有光擴(kuò)散用的散擴(kuò)片,或者通過混有光擴(kuò)散劑(三氧化二鋁的微細(xì)粉末等)的環(huán)氧樹脂,將芯片與其周圍的結(jié)構(gòu)模注在一起,則由一個LED即可構(gòu)成長方形的均勻發(fā)光面。反射框所圍的LED作為一個筆段單位,大小可以變化,由此可以形成任意尺寸的數(shù)字顯示元件。筆段型顯示中,多數(shù)為7筆段型及16筆段型(見圖7-27)發(fā)光二極管(LED)第86頁/共104頁87發(fā)光二極管(LED)第87頁/共104頁885.3陣列顯示器
將筆段顯示用的反射框按各種各樣的形式直線排列,可對各種變化的量進(jìn)行連續(xù)顯示,如果再使用不同發(fā)光顏色的LED芯片,則可以對大量信息進(jìn)行全彩色連續(xù)顯示。音響設(shè)備用的分頻音量水平顯示器(見圖7-29)以及汽車用平面轉(zhuǎn)速顯示器等都是采用陣列顯示器的實例。發(fā)光二極管(LED)第88頁/共104頁89發(fā)光二極管(LED)第89頁/共104頁905.4單片型平面顯示器
單片型LED顯示元件是在同一基板單晶上使發(fā)光點形成字段狀或矩陣狀的平面顯示元件。這種顯示元件的特點是,在保證高密度像素的前提下,可實現(xiàn)超小型化,其新的用途會不斷得到開發(fā)。圖7-30是單片型GaP綠色LED平面顯示元件的結(jié)構(gòu)(點矩陣型)的實例。每個發(fā)光部分的尺寸及節(jié)距分別是0.23mmX0.23mm,及0.28mm,在11.2mmX11.2mm大小的單晶表面上可形成40×40=1600個像素。發(fā)光二極管(LED)第90頁/共104頁91發(fā)光二極管(LED)第91頁/共104頁925.5混合型平面顯示器
混合型平面顯示器與單片型不同,是在組裝基板上使每個LED芯片排列成矩陣狀,構(gòu)成顯示元件。當(dāng)用于大型畫面時,通常3000~4000個像素構(gòu)成一個模塊,在實裝基板的背面設(shè)置驅(qū)動回路,按瓦塊狀排列。例如,利用GaP多色LED芯片,該芯片可發(fā)出從紅色到綠色的任何中間色的光,按96X64=6144個像素排列的平面顯示元件已達(dá)到實用化。發(fā)光二極管(LED)第92頁/共104頁935.6點矩陣型平面顯示器
目前,用于室內(nèi)或室外顯示,采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結(jié)構(gòu),顯示板的大小可由LED發(fā)光點縱橫密排成任意尺寸;發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色,紅、綠、橙三色、多色,甚至全色;灰度可從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié);與專用IC相組合,也可由電視信號驅(qū)動,進(jìn)行電視、錄相顯示。
發(fā)光二極管(LED)第93頁/共104頁94
模塊結(jié)構(gòu)可分為兩大類
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