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标题	简述LED发光原理
范文	魏樱 摘 要：本文从电子与空穴的复合发光、p-n结原理、异质结构和量子阱结构三个方面简述了发光二极管的发光原理。 关键词：LED，p-n结，直接带隙，间接带隙，异质结构，量子阱结构。 可见光LED的商用始于20世纪60年代。随着高亮度LED和蓝光以及白光LED的出现，LED的应用迅速推广到更为广泛的领域。本文从电子与空穴的复合发光、p-n结原理、异质结构和量子阱结构三个方面简述了发光二极管的发光原理。 1 电子与空穴的复合发光 在半导体中，电子与空穴的复合有几种过程，包括带间跃迁，非本征跃迁以及带内电子跃迁。在带间跃迁中，包括导带底电子跃迁到价带顶与空穴复合，导带热电子跃迁到价带顶与空穴复合，或导带底电子跃迁到价带与空穴复合。非本征跃迁是有杂质缺陷参与的跃迁，包括导带底电子跃迁到受主能级与空穴复合，中性施主能级上的电子跃迁到价带与其中的空穴复合，中性施主能级上的电子跃迁到中性受主能级，与受主能级上的空穴复合。 在实际情况下，半导体的温度不太高时，电子和空穴结合为激子。这时电子 的能量处于导带底的下方附近，空穴的能量处于价带顶上方附近，可以在半导体中自由移动的这样的电子和空穴对被称为自由激子。在组分空间不均匀的半导体内，能带势能有很大起伏，这时载流子将处于一定的激发态并局域化在某一固定点附近，形成束缚激子。当另一种不同的载流子运动到其附近一定范围内时，两种载流子将复合。在杂质处也可形成束缚激子，在很多半导体中，束缚激子辐射湮灭是低温和低过剩载流子密度时主要的发射机理。 在辐射跃迁中，能量和动量应守恒。光子的动量远小于电子和空穴的动量，因此在辐射跃迁中如果只有电子和空穴参与，则电子和空穴的动量基本相同的，这种电子从导带到价带的跃迁在能带图E（k）中基本上是竖直的。 价带顶和导带底位于同一k处的半导体称为直接带隙半导体，如GaAs、GaN。直接带隙半导体更适合于发射和吸收光。价带顶和导带底不位于同一k处的半导体称为间接带隙半导体，由于能带极值在k空间是分开的，带间辐射跃迁需要第三种粒子辅助发射光子，如声子、等离子或具有适当动量的载流子。通常，三粒子过程发生的概率较低，因此间接带隙材料不能通过本征复合途径有效的发光。但是，在间接带隙半导体中适当掺杂，可在局域态上实现较高效率的辐射复合。例如，在掺杂等电子杂质N、O的GaP中，导带电子可能被杂质能级俘获，形成辐射复合概率大的束缚激子。 电子与空穴的复合包括辐射复合和非辐射复合过程，非辐射复合过程主要有多声子发射、俄歇复合、深能级非辐射复合中心复合以及表面复合。在特定条件下，辐射复合有一定的几率，要提高发光二级管的发光效率，就要设法提高辐射复合效率。 2 p-n结原理 LED的基本部分是一个电致发光结构，它含有一个复合区产生辐射，并含有p型和n型两种不同导电类型区以提供参与复合的载流子。在最简单的设计中，这种结构基于p型半导体和同种材料的n型半导体之间的结，即p-n同质结，p型与n型半导体材料接触部分附近为复合区。 当p型材料和n型材料紧密接触后，界面处就会出现载流子浓度梯度，于是就会产生载流子的扩散运动。n区中的多数载流子电子从n区向p区扩散，而p区的多数载流子空穴则从p区向n区扩散。这样使得p区和n区界面处形成空间电荷区，从而产生自建电场。载流子在自建电场的作用下又会产生漂移运动。扩散运动使得自建电场增大，这又导致漂移运动的增大，引起自建电场的减小。达到平衡时，载流子扩散电流等于漂移电流。 3 异质结构和量子阱结构 传统的p-n结二极管利用掺杂控制载流子注入。n型和p型半导体界面附近的耗尽区内离化的施主和受主的电荷产生对电子和空穴的势垒。以p-n同质结为基础的LED存在严重缺陷，如材料的光吸收问题和注入效率的问题，限制了其在照明中的应用。 由化学组分不同而具有不同禁带宽度的半导体组成的结构称为异质结构。在异质结构中，有更高的载流子注入效率。异质结构的一种特殊情况是量子阱。 一个单异质结构的能带图如图1所示。P型导电区域所用半导体材料的禁带宽度为，小于n型区半导体材料的禁带宽度。能量的不连续使向n型区扩散的空穴势垒高度增加了价带偏移量。电子的势垒高度可能降低的值在0～范围内，与界面的陡峭程度有关。因此注入电流之比增加到，这里。在这个结构中n型区对于p型区中产生的光子是透明的，这就减少了向结构中n型区一端传播的光的再吸收。 一个双异质结的能带图如2所示。它是由一层窄禁带p型有源层夹在分别为n型和p型的宽禁带导电层中构成的。这样使过剩载流子可从两个方向注入有源层，电子和空穴在有源层中复合。此外，扩散过一个异质界面的少数载流子被第二个异质界面阻挡在有源层中不能继续扩散出去。这就增加了有源区中过剩载流子的浓度，从而增加了辐射复合的速率。在这个结构中，两个导电层对于发射光都是透明的，对于两个方向传播的光的再吸收效应都最小化，但是在有源层内仍存在再吸收。 单异质结构和双异质结构都要求材料具有良好的晶格匹配。如果晶格常数相差太大，则会在异质界面产生大量缺陷，通常是高的线位错密度，引起无辐射复合。 把有源层变薄是继续增加辐射复合效率和减少再吸收的途徑。但是，当有源层的厚度可以和晶体中电子的德布罗意波长想比拟或比它小时，载流子的能谱会被改变，产生量子效应。这种异质结构称为量子阱结构。 单量子阱和多量子阱是高亮度LED最通用的结构。在量子阱结构中，与异质界面垂直的x方向上的量子效应，出现了分离的能级，而不是自由运动对应的连续的能量。对于无限深的量子阱，这些能级距导带底关系如下 在实际器件中，势阱不是无限深的。对于有限深的对称势阱，电子能量由下式给出 近些年，高亮度AlGaInP和InGaN LED的研制进展非常迅速，已经达到常规材料GaAlAs、GaAsP、GaP难以达到的性能水平。高亮度发光二极管正在强光信号灯的很多应用中替代滤色白炽灯，例如交通信号灯、汽车信号灯以及各类安全和应急信号灯。所以了解LED的发光原理尤为重要，为后续的单色光发光二极管的各性能研究奠定基础。 参考文献 [1]高中林，汪开源.光电子器件[M].南京：东南大学出版社，1991. [2][立陶宛]A.茹考斯卡斯，[美]迈克尔 S. 舒尔，[美]勒米·加斯卡.固体照明导论[M].黄世华译，滕枫校.北京：化学工业出版社，2005. [3]陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
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