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红色荧光粉Ca2La8Si6O26Eu的制备和性能
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溶胶凝胶法制备Sr,2SiO,4：Dy3+，Eu3+荧光粉及其发光性能的研究
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稀土掺杂LiGd,5P,2O,13荧光粉的制备、表征及其在发光二极管中的应用.pdf68页
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硕士学位论文
稀土掺杂LiGd ,5 P ,2 O ,13 荧光粉的制备、表征及其在发光
二极管中的应用
姓名：王瑞
申请学位级别：硕士
专业：无机化学
指导教师：石建新
发光二极管中的应用
专业：无机化学
硕士生：王瑞
导师：石建新副教授
白光LED因其高效，节能，环保，寿命长等优点，被誉为新一代固态照明
光源。而荧光转换获得白光LED是一种重要的实现白光照明的方法。目前应用
于近紫外芯片上的三基色荧光粉中，红色荧光粉相比于蓝色荧光粉和绿色荧光粉
发光效率低，且不稳定，成为制约荧光转换型白光LED发展的瓶颈。因此开发
光效更高，性质更稳定的近紫外激发红色荧光粉成为科学研究关注的焦点。本学
位论文主要针对Eu3+激活红色荧光粉，采用传统荧光粉制备方法高温固相法制备
了一系列Eu3+激活多磷酸盐系列红色荧光粉，并采用XRD及荧光光谱测试对其
结构物相及发光性质进行了表征，详细研究了荧光粉的发光性质。最后，选取在
rilll近紫外光激发下发光性能较好的荧光粉进行了涂管试验，研究了它们在
LED中的应用效果。此外，还进行了Tb计激活多磷酸盐系列绿色荧光粉的制备
与表征工作。本论文共分5章撰写。
第l章首先介绍了发光的定义与分类，白光LED的发展现状，而后介绍了
无机稀土发光材料
正在加载中，请稍后...蓝色发光二极管 (blue LED) 与其他 LED 相比有何特别？为什么凭此发明能够获得 2014 年诺贝尔物理学奖？
The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources".那么问题来了= =，为什么是蓝色发光二极管的发明者而不是其他LED的发明者获得了诺贝尔奖，而且蓝色LED相较于其他晚了几十年才被发明，其中的缘故又是什么？赤崎勇、天野浩、中村修二的发明革新之处在哪里？
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他们三个发明了基于InGaN的蓝光发光二极管。InGaN的禁带宽度大，所以电子从导带向价带坠落时发出高能量（短波长）的光。比如用GaAs作为二极管，由于禁带宽度小，只能发出红外光。宽禁带的晶体长晶不容易，GaN不能像GaAs或Si一样长成大片，柱形的单晶体。考虑到晶格的匹配，一般只能在蓝宝石上生长（现在也能在其他基地上生长，SiC,Si,甚至金属）。个人觉得这几年的诺贝尔物理奖更倾向于给应用物理方面的，能够在世界产生巨大应用前景或已经产生极大影响的研究成果。比如光纤，石墨烯，加这次的蓝光发光二极管。蓝光二极管的产生，三元发光色才完备，才能使白光显像成为可能。现在的广场大屏幕LED，手机，电视都在用，已经融进了每家每户。市场上已经大量出现LED的灯泡，他们是通过改变蓝光和黄光的比例产生出白光或类似太阳色的自然光，其中黄光是通过蓝光照射荧光粉产生的。所以有了蓝光LED 就有了白光，使节能的白光LED照明成为可能。之后的紫外光二极管加荧光粉产生的白光二极管（日光灯原理： 汞蒸气产生紫外光，紫外光轰击荧光粉后产生二级光子为白光），使白光具有了全光谱。未来的家庭，市政的光源必定是LED的天下。从影响力上看，这几十年的物理研究，影响力无出其右。======================================================================评论里很多人说第一段太专业，看不懂。有大学物理系本科的固体物理知识，应该都能看懂。这里稍微解释一下。多数解释性内容copy自wiki，因为wiki上的解释已经非常好了，至少比我临时写得要好。首先解释下能带（引号斜体from wiki）：“固体材料的能带结构由多条能带组成，能带分为（简称导带）、价电带（简称）和禁带等，导带和价带间的空隙称为能隙。能带结构可以解释固体中、、三大类区别的由来。材料的导电性是由“传导带”中含有的电子数量决定。当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。”我真的不太会科普，wiki的这段表述也不太容易理解，所以尽力解释下：通俗点说（但不严谨）： 电子在晶体中有两种状态，一种是束缚态，绕着原子核转的。另一种是自由状态，可以在不同的原子核或是晶格中来回跑的。自由状态的能量一般比束缚状态的能量要高一点。比如说金属，有很大一部分电子是自由的，可以在不同晶格中穿梭，所以金属能导电。但是本征半导体（没有掺杂的半导体）或绝缘体，电子都束缚在原子核周围。靠热激发，电子还不能变成自由态，所以一般情况下不导电。对于本征半导体或绝缘体，从束缚状态到自由状态，电子需要一定的能量去激发，可以通过热，震动，光子，其他粒子等等。束缚态中，存在着各种能带，电子可以存在于这些能带中，每个能带存在着两个自旋相反的电子。电子的能量从低到高填满了这些束缚态的能带，我们称之为价带。价带填满的时候，价带是满带，满带不导电。其中价带的能量最高的那一条带的能量最高点，称之为价带顶。一会会用到这个概念。同样，自由态现在是空带，没有电子，也不会导电。但是一旦有了电子，这些电子就能自由穿梭，开始导电，自由态对应的能带，我们成为导带。其中导带的能量最低的那一条带的能量最低点，称之为导带底。价带顶和导带底之间的能量差称之为禁带。电子不能在禁带中存在，因为没有可以存在的态。那么怎么让半导体导电呢，就是掺杂。”掺杂是制造工艺中，为纯的引入杂质，使之电气属性被改变的过程。“掺杂就是在禁带中增加一条掺杂能级， 本来不能有电子存在的地方，由于引入了一条掺杂能级了，所以可以有电子存在。有的掺杂能级靠近价带，称为P掺杂，价带中的电子通过热激发到了掺杂能级，就能导电，因为这时价带不再是满带，空穴能自由走。想象一下，一个原子缺了一个束缚的电子后，边上的原子有时会贡献一个电子给他，边上的原子就缺了一个电子。缺了电子的位置成为空穴。同时，有的掺杂能级靠近导带就是N掺杂。掺杂能级中的电子可以激发到导带，参与传导。 这些参与导电的电子或空穴成为载流子。载流子浓度越高，导电性能越好。把P型半导体和N型半导体贴在一起就是个PN结，Diode（二极管）。 LED就是PN结的一个应用，其中D 就是Diode。刚才说到，P型掺杂后，价带上有空穴；N型掺杂后，导带上有电子。那么将P和N贴在一起会发生什么呢？导带上的电子会落到价带上的空穴，这是个电子空穴的复合过程，复合的过程也是一个发光的过程。因为导带上的电子能量高 ，价带上的空穴能量低。在下落过程中，发出一个光子。这个光子的能量正好是导带底的能量减去价带顶的能量，也就是之前说的禁带宽度。光子的能量和光子的波长有关，E=hv。波长越短，颜色偏紫，能量越高；波长越长，颜色偏红，能量越低。也就是说：禁带宽度越大，产生偏蓝光，禁带宽度越小，产生偏红光。这些就是LED的基本原理了。好像涵盖了第一段所有的术语了，有哪儿没有科普清楚的，请在评论里写出，择日回答。
1.特别之处正如其他答案所说，红光和绿光LED早已发明出来，并且很多材料都可以用来做红光和绿光LED，具体可参照LED的wikipedia. 而蓝光LED在中村之前有很多人做，而且1971年第一个蓝光LED就做出来了，用的就是GaN，只不过亮度效率太低，无法商用，所以大家都觉得GaN没前途，从而转向其他材料，像SiC等，不过后来研究者们发现这玩意做出来的LED效率也低而且制造起来非常贵，这个时候默默无闻的中村先生继续在搞被大家遗忘的GaN，最后成功长出来好的GaN晶体以及有效的p型doping的方法，使蓝光LED的亮度和效率大大提高。很快此技术就商业化了。这里面的物理机制没有什么，本科生都懂，其实中村解决的就是一个微电子器件的工程问题（外延生长和掺杂的问题）2.这个成就配得上诺贝尔奖吗Definitely!绝对配得上。不管是基础物理研究还是应用物理研究，只要此项研究可能或者已经带来巨大的理论或是技术上的变革，都是有可能被授予诺贝尔物理奖的。而蓝光LED无疑是已经给社会带来巨大的影响。因为现在所有的LED照明以及LCD显示都会利用到蓝光LED。首先说用于照明的白光的形成，A. blue LED+ green LED+ red LEDB. blue LED+ yellow phosphor(磷光粉)C. UV LED+ R, G, B 三种phosphor其中UV LED基本上是基于blue LED发展而来的，在高效的GaN以及InGaN blue LED被发明出来后，研究者在GaN掺入Al也就是AlGaN可以产生更短波的UV光，当然其中的器件结构也会发生变化，不是简单的掺在一起。所以说如果没有高效的blue LED现在的白光LED照明基本上不可能如此普及，因为成本会非常贵(事实上有了blue LED现在还是挺贵的)，所以从这可以看到中村先生工作的意义。另一个方面是LCD显示，以前的LCD显示背光光源是用冷阴极荧光灯，能耗高而且整个LCD显示器比较厚笨重，LED技术成熟之后，大多采用LED做背光，可以做的很薄而且能耗低，图像效果好。而LCD里用的是白光LED或者用分开的RGB 三种LED，所以说蓝光LED的发明在液晶显示方面也有着巨大的意义，没有这个的话，液晶电视的屏幕不会这么薄，手机平板可穿戴设备等也可能更笨重更耗电(ps.更高效电池的研发要加油了，因为电子产品中几乎所有其他零件的研发目标之一都要尽可能的降低能耗，都在受限于傲娇的电池君啊)当然下一代显示技术OLED也在蓬勃发展中，这是另一个话题了。也许十年后OLED成为主流显示技术的时候，邓青云教授也是配得上诺奖的(希望邓老那时候安在哈。)所以个人认为这个奖颁给blue LED的发明人是完全OK的。ps. 中村先生是2000年左右跳槽到UCSB的，11年听过UCSB校长的talk, 说他认为未来几年blue LED的研究会得诺奖，说他2000年请中村过去的时候就很看好他的研究，所以才花大钱建实验室请中村过去。现在果然是了，这就是大学校长的眼光吧。手机码字好累！~_~
虽然这三个人的贡献很突出，氮化物领域出了诺贝尔奖多少有些意外。这里按照我的理解，简单介绍下氮化物这个研究领域和三个人的成就。首先要说明为什么氮化物晶体材料，GaN,InN,AlN以及他们的混合晶体是很重要的发光材料。由下面的禁带发光光谱（wavelength）和晶格（lattice）的图表可以看出，氮化物所覆盖的发光光谱范围是很宽的，是宽禁带的半导体材料，尤其是其混合晶体InGaN可以覆盖整个可见光光谱而AlGaN可以覆盖到深紫外光谱区，这在半导体光电材料中是具有突出的优势。发展相对成熟的III-V族混合晶体例如GaAs，InP等其禁带带宽过小，远远达不到覆盖所有可见光的，尤其是达不到覆盖蓝光光谱的能力。虽然我们可以长出高质量的III-V晶体和器件，但是其永远不能覆盖短波长可见光谱，也就是永远不能用作白光LED的发光材料。一旦我们可以随意的制备氮化物晶体，那么覆盖整个可见光谱的半导体发光将会变的唾手可得。而半导体发光的节能效果甚为明显，LED真正发光层只有几纳米到十几纳米厚，这么薄的材料里，能量再损失能损失多少。但是，虽然III-nitride氮化物有如此魅力。但是由于其生长制备极其困难，相当长一段时间都是被忽视的。首先制备GaN的基板就很困难。做半导体器件，一定要有生长的基板，也就是发光材料依附的材料。像Si，GaAs之类的因为熔点低，可以通过高温溶解再提取的方法制备，其成本也不算高。但是GaN是极其稳定的材料，其熔点高达 2791K,融解压 4.5GPa，如此的高温高压显然是极其困难。所以高质量的GaN晶体基板直到今天也是难题。高质量的氮化物基板现在无法量产，零星的产品也是死贵。既然在同质基板上生长材料是不可能的，就要在非氮化物基板上生长氮化物材料。显然，由于晶格不匹配和温度形变不匹配等原因，在非氮化物基板，例如蓝宝石和硅晶体上，获得高质量可以实用的氮化物材料是很困难的。这也就是氮化物材料被忽视的重要原因。这里就说为什么赤崎和天野先生的贡献能获得诺贝尔奖。当然现在氮化物领域是一个非常热门的研究领域，每次开国际学会都是乌央乌央的一坨一坨的人，而氮化物领域的照明，电子功率器件等都是相当大的产业，自然是搞氮化物的领域车水马龙，人丁兴旺。明年氮化物的国际学会在北京开，鉴于国内LED企业众多，估计参会人数会创历史新高吧。虽然现在这个领域很红火，但是当年在赤崎先生坚持的时代，是一个彻头彻尾的冷门。当整个科学界都视这个研究方向为不可能课题的时候，仍然坚持的人是要有眼光和勇气的。赤崎先生研究的就是在非氮化物基板，蓝宝石，晶体硅等材料上生长高质量的氮化镓外延层。其中一个非常重要的成果就是当时还是在读博士生的天野先生的研究成果。他们用一层100纳米厚度的低质量AlN覆盖在蓝宝石基板上，然后再在AlN上面生长GaN。由于AlN的缓冲作用，GaN外延和蓝宝石基板的晶格不匹配被部分抵消，最终的GaN外延层质量大幅提高，其GaN外延层质量用作生长蓝光LED的基础已经毫无问题。GaN基光电器件初见曙光。(要是哪个实验室老板的方向具有划时代的意义，博士课题获得诺贝尔奖也不是不可能，可惜可遇不可求)这个成果是在1986年发表的。而获得一个蓝光LED器件仅仅解决GaN层的问题是不够的。如下图所示，一个LED器件要有掺杂p-GaN和n-GaN以及混合晶体InGaN的生长，当时，因为研究氮化物并不是一个热点，这些问题都是空白的，有待继续研究。此时，一个大侠横空出世，就是中村修二，如果说赤崎和天野让氮化物的研究有了希望。那么中村就是这个领域的独行侠和集大成者。中村很牛，并非名牌大学毕业，当时并没有博士学位，而只是一个技术员。他当时觉得氮化物领域有前途，其主张获得了日亚公司的全力支持。而此君就像天神附体一般，短短的时间内，不但沿着天野的思路，创造了新的获得高质量GaN的方法，还解决了蓝光LED的各项关键技术，甚是直接做出了蓝光激光。要知道在异质结基板上做激光器不是那么好做的，即使在同质结基板上的激光器（III-V族激光器）也不是那么好做。可见日本公司的研究环境和研究能力是很牛的。日亚据此在氮化物领域获得了大量的专利。当时由于这个研究领域刚起步，中村的速度又太快，所以氮化物器件研究的大师地位自然就是中村一人的。其实当时赤崎研究室和中村的研究是有竞争关系的，不过中村做的成绩更为耀眼一些。其中，中村的制备高质量GaN外延薄膜技术如下图，用低温的GaN(LT GaN)做缓冲层而不是天野的AlN做缓冲层，因为GaN结晶比AlN更为方便容易，所以此项技术在工程量产上有重大的意义。这篇文章当年发表在JJAP上，而且作者只有他自己。这个技术是很重要的成果，现在全世界各个大学实验室和公司依然用这个技术获得高质量的GaN。这里不得不说说发表文章的事儿，实际上好像在氮化物领域此三位重要的开拓性的人物，在他们获得重要成果的时代都没有发表过极高影响因子的文章。我个人觉得这个领域，后面所有人的研究其重要性都不可以和这个三人比。而这个JJAP现在国内好一点的大学已经看不上眼了。而我个人感觉，中村这些突破之后，氮化物领域的真正大的突破几乎没有。但是高影响因子文章遍地都是。有些事情就是很奇怪。毫无任何实用价值的研究倒是乱发文章，当然这是我的个人偏见。至于蓝光LED为什么重要，因为用蓝光可以激发荧光粉材料发出其他黄绿光谱的光，加上蓝光本身就成了现在商用的白光LED。而这个是InGaP等红光LED做不到的，因为荧光粉的发光光谱只能由更短波长的光来激发，也就是只能是蓝光激发黄绿光，而不能由黄绿光激发蓝光。所以获得短波长的光是至关重要的。所以这个诺贝尔奖颁给了蓝光LED的发明者而不是LED的发明者。因为对于应用意义上的白光LED，显然这个奖是发给为人类节能照明事业贡献巨大的研究，其中蓝光贡献更大，更直接。为什么不直接生长蓝光，黄绿光谱的LED。理论上是可以不用荧光粉而只靠晶体本身发光而做到产生白光的。但是要制备发黄绿光的LED必须要高In组分的InGaN，这在目前还是个难题。实际上如果能轻易获得高In组分的InGaN。用氮化物做的太阳能其效率将会比现有技术大为提升。这里面受益的可能还有新发展的电解水的技术。氮化物领域还有很多不完善的亟待解决的问题，例如非极性面生长，高In组分的InGaN，GaN基板这样制约着器件本身的成本和效率等问题。成本居高不下和效率和寿命提升的瓶颈正是阻碍其大规模商用化的关键。在今年八月份的国际学会上，中村做的基调演讲，按照他的预测，非极性面的GaN基板将来会成为主流，若真是如此，氮化物领域还是有前途的，否则，各种新材料层出不穷，而氮化物器件的成本不能大幅降低而效率和寿命不能大幅提高的话，被新材料淘汰也是有可能的。在电子功率器件等领域，氮化物还是有着很大的发展前景，其未来不只是局限于LED行业，我们生活中的很多方面都可能因为氮化物的应用而改观。其节能的特点，让其在人口暴增，能源需求暴增的时代，显得有格外重要的现实意义。这个角度讲，三个氮化物领域的开拓性人物是值得获得诺贝尔奖的。可以想象，如果未来LED是人类照明事业的根本，那么这个技术少发明一天，人类要损失多少能源消耗。---------------------------------------------------------------------------------------------------------现在很多人看来日本的这次诺贝尔奖来说日本科技如何强大，我倒不这么觉得，我反倒看到日本的科技是如何衰落的。中村这个毫无靓丽背景的技术员，创造了一个又一个奇迹，自己获得了蓝光之父的大师地位，除了靠着公司的支持，更多的是个人的创造力和能力问题。但是，这个个人英雄却没有很好的融入日本社会，中村和日亚，甚至中村去加州大学当教授，而没有留在日本的大学，显然其中故事是耐人寻味的。如果中国有这样的技术大师，而大师成名之后，又远走美国，我只能说中国的科学技术界是有严重问题的。我倒是觉得，中国现在又这样的大师，各个大学会抢着要，这点比日本大学要好一些。而中村和Cree的关系来看，中村出走，对日亚到底有多大的损失也不好说。另外，现在保守的日本企业还有多少空间能允许中村这样的人来发挥也不好说。而且这些研究成果都是在八九十年代，正是全球化还没有兴起，日本经济依然风头正劲的年代。而三人，尤其是中村身上的那种能闯能拼的大侠精神，现在在日本九零后身上还有多少也未可知。中村这样的大师出走的故事，如果不是氮化物相关的人是不知道的，我也一直很想吐槽这件事。现在随着诺贝尔奖的效应，这个应该广为人知了，整个日本社会应该反思中村为什么出走，中村在出成果的时代显然还是日本人。本来应该是三个日本人获奖，这是日本科研界的荣耀。但是最终变为两个日本人和一个日本裔获奖，多少有点尴尬，背后原因值得日本社会好好玩味。
争取写一篇没学过半导体物理没太多专业知识的人也能看懂的答案吧楼上的答案说的都挺到位，只是，开口就谈外延生长、禁带宽度、晶格匹配，对于一个没有专业知识的人，你们确定你们没有在耍流氓第一版写得略粗糙，如果有人看，我会滚回来更新的！评论有人说看不懂，伤心%&_&%更了一点点，晚上继续少女更完了，快来点赞！！'1.
半导体的能带结构能带理论中，我们用电子所处的能级，也就是电子所具有的能量来描述它。一般，固体材料的能带结构分为导带、禁带、价带。导带电子能量最高，最远离原子核。在导带的电子可以自由运动，传导电流。禁带不允许电子存在。价带靠近原子核，电子能量较低。在绝缘体中，价带中所有允许电子存在的状态都被电子填充，成为满带。当价带被电子完全填充时，电子无法相对运动，也就不能导电。不妨做这样一个比喻。一个个的电子是一个个的小人，价带和导带里允许电子存在的状态是电影院里一个个的座位。禁带是座位和座位之间的空地，因为没有座椅，所以人（电子）不会坐在那里。价带能量低，就好比电影院里靠近荧幕的好座位，人（电子）会首先选择靠前的座位，也就是先把价带填充满。因为价带里的座位坐满了人，成为满带，所以人（电子）不方便移动，不导电。导带是后方就空的座位，没有什么人，人可以很轻松的从一个位置移动到另一个位置。如图，从上到下能量依次减小（Ev价带，Ec导带，Ef费米能级）一般常见的金属材料，因为其传导带与价带之间的“能隙”非常小甚至重叠在一起，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至传导带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至传导带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，使价带的电子跃迁到导带，此材料就能导电。回到那个电影院的比喻。电子的跃迁就好比是，在外界能量激发下（比如想和女朋友去后排亲热，对半导体来说，可以是外界温度、光照等等），有一个人放弃了前排的好座位，从价带穿过禁带到了导带，坐在了后排空旷的位置上。在后排，他可以自由的移动，也就是材料可以导电了。另外注意一下Ef费米能级。费米能级指的是绝对零度下电子所能占据的最高能级，通过掺杂，我们可以改变费米能级的位置。2.
PN结PN结就是P型半导体和N型半导体通过工艺接触在一起的结构。在说N型、P型半导体之前，先说一下空穴的概念。空穴实际上是一个等效的概念。当电子离开原有位置，便在此留下一个带正电的空穴。周围所有电子的运动都可以等效为这一个空穴的运动。还是可以继续沿用那个电影院的比喻。空穴就是一个没有人坐的空座位。假设价带有一个空座位，那么坐在价带带的人（电子）可以移动，A从他原有的座位换到那个空座位，然后B又可以坐到A留下的那个空座位。A.B以及之后其他人（电子）的移动，都可以等效地看作是那个空座位的移动。空穴在价带的移动，同样可以导电。然后，我们来看P型、N型半导体。它们是通过在半导体中掺杂得到的。未经掺杂的半导体，价带会有部分电子受热激发到导带，在导带移动，同时在价带留下可移动的空穴，使半导体导电。导带的电子和价带的空穴浓度时相同的。但是，电子和空穴的浓度都很低，电导率不高。而通过掺杂，可以大大提高半导体中电子或空穴的浓度。N型半导体以在硅中掺杂磷为例。硅最外层4个电子，磷最外层5个电子。掺杂后，半导体部分原子（硅原子）被杂质原子（磷原子）取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，就成为了含自由电子浓度较高的半导体即N型半导体，N即为negative，代表带负电的电子。与未掺杂的半导体不同的是，N型半导体中电子浓度远大于空穴浓度。同时，N型掺杂使得费米能级高于未掺杂时。P型半导体的制备与此类似。掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”，成为能够导电的物质。P即positive，代表导电的是带正电的空穴。与未掺杂的半导体不同的是，P型半导体中空穴浓度远大于电子浓度。同时，P型掺杂使得费米能级低于未掺杂时。现在，我们姑且可以认为P型半导体是有很多可自由移动的空穴的半导体，N型半导体是有很多可以自由移动的电子的半导体。当N型半导体与P型半导体接触时，P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子，存在浓度梯度，又因为导带的电子、价带的空穴可以自由移动，所以二者之间将产生扩散运动。扩散的自由电子和空穴相互结合，使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少，带正电，同时原有P型半导体的空穴浓度也减少，带负电。在两种半导体中间位置形成一个耗尽区，这个位置，电子和空穴由于扩散和复合而被耗尽。同时，因为N型半导体失去电子带正电，P型半导体失去空穴带负电，耗尽区形成了由N型半导体指向P型半导体的电场，成为“内电场”， 这个电场阻止N区的电子继续向P区移动，或P区的空穴向N区移动。如图（圆点是电子，圆圈是空穴）浓度差使空穴从左向右运动，电子从右向左运动；内建电场使空穴从右向左运动，电子从左向右运动。两中作用最终达到平衡，在耗尽区形成内电场。用能带理论也可以解释PN结的形成。当N型半导体与P型半导体接触时，两者的费米能级要保持一致，从而使导带和价带发生了扭曲，产生了内建电势，阻止N区的电子继续向P区移动，或P区的空穴继续向N区移动。如图3.
LED发光通过在PN结上加上外加电压，可以改变内电场，原有的内电场和浓度差两种作用达到的平衡就被打破，耗尽区的厚度改变，如图。当在PN结上加上与内建电场相反的电压时，内电场减小，不足以阻止电子和空穴的扩散运动。N区的电子进入P区，与p区的空穴复合；同理，P区的空穴进入N区，与N区的电子复合。如果这种复合是直接的带与带之间的复合，就有光子发射，波长由半导体禁带宽度决定。4.
蓝光LED的难度与重要性前面已经说过了，半导体的禁带宽度决定LED发光的波长。要得到短波长的蓝光就需要宽禁带的半导体。而这样的材料，要么亮度不够，要不成膜困难。这就是为什么在红光和黄光LED出现了三十几年之后，我们才得到了蓝光的LED。至于蓝光LED的重要性，各位知友都说过了。现在的显示屏利用的是三原色的显色原理，即利用红黄蓝三原色的叠加，得到各种可见光。如果缺少了蓝光，LED显示就难以实现，LED白光灯也是。蓝光LED的重要性，不在于它用了多么创新的科技，而在于它对LED照明和显示的实用化的巨大贡献。
我就不科普了。再说我也不是学物理的。我就来讲一个故事（真的是我一个个字打的）。您有钱捧个钱场，有人捧个人场，谢谢了啊~~插播广告一个：如果您也想写写故事，听听旧闻，可以选择加入QQ群，微生海狸，萌物部落。记得带一篇自己的故事当投名状！中村传奇 中村是个日本人。一个本来很普通的日本人。一个原本可能籍籍无名一辈子就那样过去的日本人。但是他明显不是个那样的人。今年的诺贝尔物理学奖颁发给了他，以及另外两个日本人。哦，也许不该说中村是日本人了。因为他已经有了美国国籍。一、初章 中村修二确实二中村的全名叫中村修二。有点二。下面就叫中村了。中村只是个硕士。德岛大学出品。德大不算最好的，但是在日本还能排进前三十。中村的专业是电子工程学。德大主要的学科倒是工学。研究生毕业以后中村不想干专业了，想玩材料开发去。他的导师就给他推荐了一个企业，叫日亚化学（多好的导师啊还管介绍工作！给我来一打！）。中村为什么会去日亚那么一个乡村小企业呢？因为他大学里就结婚了。按照日本人强烈的家庭观念，结婚了就不能去大城市闯荡了，只能在家乡呆着。所以，他选择留在了德岛市。当时的日亚化学只有200多个员工，到处都是令人掩鼻的臭鸡蛋味（硫化氢）。中村心想，这旮旯咋辣么脏啊！原本是想去东京大阪啥的闯荡一下的，没想到一不小心就结婚了。都是爱情的力量啊！也许中村得了诺贝尔奖，也应该先感谢一下老婆吧？进了日亚才发现，咦，I`m the first Electronic Engineeringgaduate！但是很遗憾，没有加薪……一开始中村负责提炼制造半导体的金属材料镓。实验室就是停车场。小公司嘛，因陋就简了。后来公司又让中村做磷化镓，就是下面那货。那时候公司穷啊，啥都买不起啊，中村果然不愧是工科生啊！于是就自己一点点做设备开始研究。这才是真正的白手起家啊！做磷化镓需要用石英管（就是比较高级的玻璃管），把磷和镓放在石英管的两端，然后抽真空高温加热，反应就完成了。问题在于，想当年石英管还比较贵，现在就是几十块钱最多上百的玩意嘛，当年日亚穷啊！买不起啊！必须循环使用……于是没办法，每次循环的时候石英管因为密封不严密都可能爆炸，还好这玩意不是很容易伤人再说就中村自己做试验，于是没发生很大的人命事故……但是天天下班的时候都要嘭！的一声为大家送别，也有点受不鸟啊。中村也想和公司申请用新技术降低爆炸的危险，但是老板完全不鸟他啊。你算哪根葱，肯定是你自己的问题！不管。到1982年，中村终于脱离苦海，因为磷化镓已经研制成功了，虽然不怎么值钱。此时距离中村硕士毕业已经三年了。不搞磷化镓了，中村又开始搞砷化镓。因为根据营业部可靠情报，砷化镓明显会比磷化镓更值钱。企业嘛，就是奔着钱去的。只不过这次和上次一样，还是没钱买设备……于是中村又拿起了自己的电焊机。学焊工哪家强？日本日亚也不错嘛。当然，日亚的员工依然每天都能按时听到爆炸声。搞完了砷化镓，又搞了砷铝镓。不过令人苦恼的是，这些材料都不怎么赚钱。日亚也很愁啊，你看我给你提供了实验场地（虽然就是个停车场），还给你提供了实验设备（虽然没花几个钱），但是我们是私人公司啊，要赚钱啊。不过，这三种材料对于中村来说还是很骄傲的。毕竟从研究、制造到质量管理、直至销售,全部是中村一个人担当的。简直就是一个人顶起了半边天啊！尽管如此，残酷的现实还是不停地打击着中村。做出来的东西不赚钱，自己不能升职，不能加薪，老婆孩子不能住上大house，肿么办啊！再这样下去，不如分分钟切腹自杀好了。 二、次章 梅花香自苦寒来于是中村决定开始攒大招。他久经挑选，选择了一个看起来能发大财的项目，高亮度蓝色发光二极管。就是这个东西让中村获得了诺贝尔奖，也让我们每家每户都能用上节能灯。你敢说你家没节能灯吗？(当然普通节能灯和荧光灯还不是一回事。不过这个比较深，我就不说了哈（其实是我也不懂）)首先是日亚派中村去美国溜达了一圈，学了点技术（估计这时候就心动了）。然后回来，公司也把高亮度蓝色发光二极管当作了公司的重点攻关项目，下钱下人，出了血本，就是想捞一把。能不能成功？当然能。因为我们有中村啊。一开始的氮化镓发光二极管是pn结型结构，暂时称之为结构1。结构1比较老旧，发的光也比较暗。中村一眼就觉得这玩意不靠谱，于是一门心思想研发双异质结构的发光二极管，简称结构2。但是公司老板是个山炮啊，他就是想快点赚钱，再快点赚钱。于是成天催中村赶紧做个差不多的结构1发光二极管出来就得了，赶紧卖钱是正道。但是中村不为所动，阳奉阴违，一心一意搞自己的研究，没想到还真给他研究出来了！还就用了不到3个月！1992年的9月份,双异质结构的氮化镓发光二极管终于试制成功了。但是因为颜色比结构1的还暗，所以老板完全没放在心上。但是中村心里不服，憋着一股劲，把实验过程不断写成论文。这一下子中村在业界出名了。因为别人都没做出来嘛。全球各地的科研人员给中村的信像雪片一样飞来，当时要是有电子邮箱就好了。终于，经过始终不断地阳奉阴违（哦不，是不断努力），高亮度蓝色发光二极管终于产生啦！比市面上的产品亮一百倍！一百倍啊！日本东北大学的西泽润一校长看到这一成果，立即就要送中村一顶博士帽。西泽校长真是高瞻远瞩，早就看出这小子有得诺贝尔的希望嘛。产品发布会以后，日亚公司上上下下顿时陷入了连续不断的人潮中。因为大家都对这个东西很感兴趣。不过日亚老板把所有人都拒绝了。因为日亚的信念就是自力更生。可能也正因为此，日亚才能变成现在LED业界数一数二的公司。当然中村也有自己的信念，你不干，我干！于是别人都做不出来的氮化镓高亮度蓝光二极管，他做出来了。你可能会问，蓝色发光二极管与我们现在的白光节能灯有啥关系？其关系是，蓝光的能量比较高，能在荧光粉作用下激发出黄光，大家都知道光线是三原色，只要有三原色就会出现白光。所以只有蓝光二极管才是节能灯的真正始祖。蓝光光碟也是。中村此后又相继研发了蓝绿色发光二极管，高亮度绿色发光二极管，以及蓝色半导体激光器。所有这一切都是在日本科研人员不承认地情况下自己一个人偷偷做出来的。辛苦终于获得硕果。我想，中村最得意的不是发明了这么多东西，而是获得了周围人的承认吧。毕竟这种成就感和满足感……你懂的。不过中村依然有自己的烦恼。在一次采访中他说，在日本公司里，“不管你取得了多大的成就，你的职位和薪水都不会有什么变化——不光是日亚，别的公司也这样。”等到他真正做出来的时候，只拿到了区区2万日元的奖励，专利也不归个人所有。后来中村实在无法忍受了，于是一气之下就在1999年跳槽到了大美利坚。2002年，中村又一纸诉状告上法庭，要求日亚支付200亿日元赔偿。2005年东京高等法院裁定，日亚化学支付中村修二8亿4000万日圆，双方和解。就这也要近5000万人民币呢，更不用说一开始的200亿了，那可是11亿大洋啊！ 三、终章二又如何自NB总之呢，这就是中村的故事了。现在他已经在美国加州大学圣巴巴拉分校一边享受加州美好的阳光一边喝橙汁啦！简直是屌丝逆袭的典范啊。知道怎么才能屌丝逆袭了吗？很简单，就是要有一点二的精神。别人不干的，你干。别人不敢做的，你做。别人不能做的，你自己想办法做。不要觉得没资源没能力，没能力可以学，没资源就自己创造资源。不要觉得学历多重要，没有博士头衔也能得诺贝尔奖。当然最重要的是，如果你真的想得个诺贝尔，先学会发论文……最好英语。失败不可怕，重要的是要失败的有意义。不成功也不要急，早晚会成功的，只要你能坚持下去。就是这样，也许下一个传奇，就是你。参考网址： 等图片来自网络。已经发布在本人专栏：
（杯具啊，豹纸喵辛辛苦苦在爪机上打了半天的答案，在快完成的时候爪机竟然花屏死机鸟，好不容易抓到本行问题嘤嘤嘤，小荣耀你如此傲娇你们家余总造吗。。。）重新来过：蓝光LED是一项有着无限应用价值，颠覆工业界，启发学术界的发现（发明）。首先是照明业。原来的LED基本只能用在指示场合，像大家熟知的记分牌数码管，PC机电源硬盘指示灯之类。而在客厅卧室教室学校办公室道路所有这些地方，需要照亮的时候，从来就没有用过LED，为什么呢？LED发光的原理是电子在电场作用下发生能级跃迁，而同一种材料的禁带宽度是一样的，发光的波长（颜色）也是一样的，LED是单线光谱，也就是说，一种LED只能发出同一种颜色的光。以前没有蓝光LED的时候，红光和绿光LED是有的，那这两种光源无论以何种比较混合，都没法产生可用的白光。用专业术语来说就是这些方案的显色指数太低了。显色指数指的是光源还原阳光下物体颜色的水平指数。举个例子，在红光LED照明环境下，您穿一件白天看起来绿色的衣裳，在这看起来就是黑色的。蓝光LED出现之前照明行业没有LED的位子，另一原因是红绿LED禁带宽度太小，发光效率低下，耗电太大。可别小看耗电问题，我朝废止白炽灯的2010年前后，全球照明用电占总发电量的20%左右，作为对比，同期来势汹汹新能源发电量只有2%上下。而在蓝光LED广泛应用后，LED照明设备的光效不断提高，并有达到摩尔定律的趋势。LED能在照明行业大展鸿图，蓝光LED功不可没。它能与红绿LED混光产生多色光谱（白光），也能在波长继续变短后利用荧光灯发光原理，激发灯珠内壁的荧光粉发出白光。（后者成本更低，效率更高。）现在的LED成品光效高，驱动电路简单，没有汞污染，没有频闪，无需预热，可调性好，寿命超长，LED进入照明界就好比梅西加入国足，彻底改变了一切玩法。关键是LED驱动电源的简单性，极大降低了照明业的准入门槛，把所有玩家拉到打价格战的同一起跑线来，也导致某知名公司壮士断腕（或壁虎断尾，待观后效吧）。在学术上，蓝光LED的发明和广泛应用也意味着宽禁带器件的逐步成熟。宽禁带器件有着双向通断可控，无反向漏电（易成肖特基势垒），频率高等硅器件无可比拟的优点，亦将改变材料，半导体，电源三界的格局，并且终将改变我们的生活。这要将开去我的手机死机100此也说不完了，所以就此打住吧。
用MOCVD长过一年氮化镓和铟镓氮的怒答。中村修二的主要贡献应该是长出了高质量的p型掺杂的氮化镓，因为高掺杂浓度，高迁移率的p型掺杂氮化镓不容易实现，中村修二通过mg掺杂再高温快速退火之后得到了高质量的p型氮化镓。由于n型掺杂比较容易实现，有p型，n型之后，那就很简单了，p和n复合发出蓝光波长的光。集合红绿蓝三原色就可以召唤出白光了。
中村修二得诺奖是迟早的事，终于是如愿。恭喜！（老板九十年代初在东京大学做类似的研究，没做出来，现在已哭晕在实验室，哈哈。）
上张简单明了的图，对于像我这样不是专业的普通人应该能更好理解。这是日本推友Yui_Ma_Ka发的一张图，简单明了的说明了蓝光LED在现实生活中的重要性。有了蓝光LED才有了色彩艳丽的车站指示牌。
樓上有人已經給出了詳細的原因(以及科普)，作為科學的搬運工，我就簡單貼一段諾貝爾委員會的解釋：Light-emitting diodes(LEDs) are narrow-band light sources based on semiconductor components, with wavelengths ranging from the infrared to the ultraviolet. The first LEDs were studied and constructed during the 1950s and 1960s in several laboratories. They emitted light at different wavelengths, from the infrared to the green. However, emitting blue light proved to be a difficult task, which took three more decades to achieve. It required the development of techniques for the growth of high-quality crystals as well as the ability to control p-doping of semiconductors with high band gap, which was achieved with gallium-nitride (GaN)only at the end of the 1980s. The development of efficient blue LEDs also required the production of GaN-based alloys with different compositions and their integration into multilayer structures such as heterojunctions and quantum wells.
因为红光LED和绿光LED已经问世很久，但是蓝光LED直到三十多年后才被发明出来。主要困难在于几种能发蓝光的材料要么亮度不够要么成膜困难无法用作大规模生产。LED的用途与重要性不必多说，缺少蓝色LED，所有的显示屏都不能正常显示颜色。而且最简单的白光LED制作方法是在蓝光LED里面加别的荧光粉。所以没有蓝光，连LCD显示屏都要受影响。另外蓝光DVD的写入数据用得蓝色激光也是用的这个技术。受邀惶恐，不知所言。
不请自来，中村这次拿奖个人觉得就是给日本企业打脸。-----------------------------------------------------【サンタバーバラ（米カリフォルニア州）時事】青色発光ダイオード（LED）の開発でノーベル物理学賞の受賞が決まった米カリフォルニア大サンタバーバラ校教授の中村修二さん（60）は7日、同校で記者会見し、「怒りがすべてのモチベーションだった。怒りがなければ何も成し遂げられなかった」と研究生活を振り返った。 10月8日(水)より----------------------------------------------------大意是研究期间所有的动力来自于愤怒。受了多少罪。。。早上才跟公司的技术者聊到这个话题，在职期间的一切科研成果禁止对外，都属于公司所有，并签署法律文件。至少在光电半导体行业大部分日本企业都是这样的研发环境。有兴趣的可以看下日经BP社报道的关于中村的特集。跑题了，折叠我吧。利益相关--和日亚化学是同业他社，但我真不是黑它。
我对LED获奖还是感到很开心因为大三的时候做过一段时间，也是AlGaN深紫外LED，AlGaN除了宽禁带还有个优点是直接带隙（忘了不确定）。这个技术难点简单的说就是两点，一个是生长，一个是掺杂，最终目标是提高发光效率。比如用缓冲层解决晶格失配，让缺陷横向生长等等。注入的电子一般在掺杂成的量子肼里复合发光。生长一般用的是MOCVD（金属气相沉积）MBE（分子束外延），关键是各种温度浓度进气速率一堆参数要调，不过那台设备主要是温度上不去，温度到缺陷就很少了，最好的MOCVD设备是日本的，人家不卖，德国的也要一千多万。不知道康老板后来有没有再买一台。P.S. LED国内大概还远比不上台湾，不要说日本了，听说还有不少买来SiC掺一些别的继续卖的，都是坑。还有一些土豪完全也就是烧钱，低端的产能过剩，现在不知道怎么样了
当今的物理学理论的大发现已经很困难，而且还需要实验证明。所以应用类的物理学奖近几年居多，但是不是像题主说的那么简单，发明也要看难度和影响。蓝光二极管的意义在于可以用其制作白光LED，彻底改变人类的照明工具，提高发光效率，节约电能。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红色光)的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术。GaN蓝光二极管的研发耗费了科学家十几二十年的时间，很多科学家都放弃了，最后是几个日本科学家成功的制备了蓝光二极管，看看中村修二去UCSB之后和日亚公司打官司索赔200亿日元（11亿多元人民币）可以看出这项发明的价值，最后日亚赔偿了中村修二8亿4000万日元（4700多万人民币）。
1. 市售的白光led几乎全部是用蓝光led管芯加黄色荧光粉制成的（所以白光led中间看起来都是一块黄色点）2. 有了蓝光led以后led的三原色才齐备，有了三原色之后“全彩”才成为可能（可参见双基色和三基色/全彩led显示屏的效果差异）因此，可以说没有蓝光led就没有现在的led照明和显示行业。
好吧，一个难懂的量子理论，我也不太懂，不过无非是给一定的能量，得到能量的激发发光，这个和今年的诺奖荧光显微镜一样呀。简单地比喻跑步，红光就像我们正常人跑一百米，13秒成绩很容易，黄光要成绩好点，11秒吧，一般人训练训练也能达到，但这个蓝光，要破世界记录才行。这就是说的禁带，要发出蓝光，禁带很宽，必须要在很多应用技术上突破。
1.白光led是公认的取代白炽灯和节能灯的革命性光源，而通过蓝光led添加黄色荧光粉的办法制成白光led是目前最经济高效可靠的方法！2.蓝光是三基色中能量最低的光，所以蓝光led的制成难度在工艺和材料上都非常高，造成它诞生的晚。3.这三人主要的贡献在制成蓝光led的创新工艺和材料，比如氮化镓的金属有机物化学气相沉积法等。
LED是一个简单的PN结，正向电压下，P区和N区的空穴和电子入对面区域，分别与作为多数载流子的电子和空穴分别复合然后辐射产生光子。发光的颜色取决于波长，而且波长则与此PN结的材料禁带宽度有关。简单说来就是 波长（nm）=1240 / 禁带宽度 （eV）. 所以要发出短波长的蓝光需要宽禁带宽度的材料。传统的白光LED有两种方法实现，一个是将红，蓝，绿三种颜色的LED放在一起，通过变换组合可以发出各种不同颜色的光，包括白光。飞利浦最新的HUE就是通过这种技术控制室内空间的气氛。另外一种办法是用InGaN的基片和YAG钇铝石榴石封装在一起，InGaN材料的LED发出蓝色光，YAG荧光粉被蓝光激发后发出黄色的光。这种蓝色和黄色混合的光可以基本覆盖光谱从而产生白光。所以无论哪种方法，蓝光都是必须的。找到InGaN这种宽禁带材料对发展和利用LED照明有着很重要的贡献。
三基色中只有蓝色led还没有发明。这个发明以后，人类可以通过led合成白光，用于照明，而这将大大节约能源。21世纪将是led灯照明的时代
蓝色LED加上激发荧光物质产生的黄光是产生白光的基础
前面的答案已经很完善了，简单来说，以前电视机上那种红色小灯就是红光LED，但是只有红色的灯是不够的。蓝光LED配合荧光粉大概可以产生白光，因为蓝光频率比较高，容易转成低频光。所以我们看到的劣质LED灯里都是蓝色的。。白色灯很有用。。。}