LED结构原理与应技术

1第三章1半导体基础知识2LED基础知识23.3LED的基本结构3.4LED的发光原理3.5LED的光学特点3.6高亮度LED芯片的产量3.7两类高亮度LED的增长率3.8LED芯片的制作及分类3.9LED的技术现状及发展趋势33.4发光机理白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。4基础知识一.光的特性.1.光具有粒子性①光是一种以光速C运动着的粒子流，这种粒子叫光子。②光的能量是集中在光子中，光子具有一定的频率，其一个光子具有的能量为E=hf=γh.（f:光子具有一定的频率）5二．原子的能级结构A晶体的能带1．孤立原子的能级：在原子中存在着一个个分立能级，电子只能存在于这些分立的能级之上。2．两个原子的能级：每个能级已经分裂成为两个彼此靠的很近的能级。3．大量原子能带：电子不再属于个别原子，它一方面围绕每个原子运动，同时电子做共有化运动，相同能量的能级已变成许多靠得很近，分裂能级——形成带状，称为能带。4．晶体能带：半导体是由大量原子有次序的周期性排列的晶体。6晶体的能带图EcEfEv导带Ec：空着没有电子，是自由电子占据的能带禁带Eg：无电子占据的能带Eg价带Ev：形成化学价的电子占据的能带满带Ec：填满电子的能带注：Eg=Ec-Ev71.玻耳兹曼统计分布在热平衡条件下，各能级上的原子数服从玻耳兹曼统计分布:式中：N2为处于高能级E2上的原子数；Nl为处于低能级E1（基态）上的原子数)g(g21/)(1212012TkEEeggNN82.Femi统计规律在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布应服从费米统计规律。f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T]f（E)—能量为E被电子占据的机率（概率）Ef—费米能级。它与物质的特性有关，它只是反映电子在各个能级中分布情况的一个参量（它是抽象的不存在的一个能级）。结论：N3N2N1；E3E2E1粒子数随能级的增高，按指数减少。9半导体的能带和电子分布（a）本征半导体；（b）N型半导体；（c）P型半导体B．半导体的能带图10三．光的辐射和吸收—能级的跃进爱因斯坦于1917年根据辐射与原子相互作用量子学论提出:光与物质相互作用将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收三种物理过程。11(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射图4-2能级和电子的跃迁121.自发辐射(sp)设E2E1。处于高能级E2的电子是不稳定的，它将按一定的概率，自发地（无外界辐射）向低能E1上跃迁，并在跃迁的过程中发射出一个频率为f，能量为ε的光子。特点：自发辐射是独立自发跃迁,产生光为非相干光,且光子之间互不相干.释放光子的能量ε=E2-E1=hf发射光子的频率f=(E2-E1)/h;13光的自发辐射EcEvhh发光二极管—光的自发辐射自发辐射---LED工作原理如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫LED。14自发辐射的光是一种非相干光：当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。15LED的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统及各种照明中。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。发光二极管LED162.受激吸收处于低能级的电子，当受到外来的频率光f的感应，即用f＝（E2－E1）/h的光子照射时，原子中电子可以吸收光子的能量从低能级向高能级跃迁这个过程叫受激吸收。17Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收受激吸收--光接收器件原理如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。在半导体PN结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。这就是将在后面章节中叙述的光接收器件。183.受激辐射（st）处于高能E2的电子受到外来光子hf的感应，发射一个与感应光子一模一样的全同光子即频率、相位、偏振方向和传播方向相同。•受激辐射条件：外来光子的能量hf外≥E2-E1•特点：外来光子与感应光子为全同光子.•结论：如果外来光子代表的是输入光波，则输出光波至少就增加了1倍，而入射光子得到了放大，这是激光产生的物理基础。19在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。受激辐射--半导体激光器发光原理EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEEhvEvchcEE12398.（m）20图3.2.2光的自发辐射、受激辐射和吸收光的自发辐射EcEvhh光的受激发射EchEvh输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收21LED的发光原理图3-5LED的发光示意图发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、AlGaInP（磷化铝镓铟）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是LED的注入式电致发光原理。当它处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2223电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，由光的量子性可知：hf=Eg其中h为普朗克常量6.63×10^-34J·s,f为频率据f=c/λ（c=3*10^8m/s）可得λ=hc/Eg≈1240/Eg（mm）LED发射波长的公式推导EcEfEv导带禁带Eg价带满带24光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。EcEfEv导带Ec禁带EgEg价带Ev满带Ec2526一般短波長紅外光高亮度長波長紅外光可見光不可見光LED波長450~780nm光波長850~1550nm950~1550nm比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。27以下是各色光谱图蓝色波长47028以下是各色光谱图绿色波长54029以下是各色光谱图红光波长65030以下是各色光谱图白色色温6500K31以下是各色光谱图黄色波长61032色温显色指数色度学中LED光源两个重要参数光源自身的颜色：用色温来评价。光源的显色性：用显色指数评价光源的颜色特性33色度图可用来表示所有颜色的色度特性。色度图中心为白点（非彩色点），光谱轨迹上的点代表不同波长的光谱色，是饱和度最高的颜色，越接近色度图中心（白点），颜色的饱和度越低。围绕色度图中心不同的角度，颜色的色调不同。色度图色品图CIE1931,色坐标，1931年国际照明委员会确认三刺激值作为颜色的基准色，其他颜色可以从三刺激组合而成，因为三个坐标值之和X+Y+Z=1,所以色坐标往往用（x，y）表示。34bgrbbgrgbgrrzyx光谱三刺激值与光谱色色度坐标的关系式35色温：当某种光源的色度(坐标)与某一温度下的黑体色度(坐标)相同时，就称此时黑体的温度为该光源的颜色温度，简称色温，用符号Tc表示，单位为开尔文，用“K”表示。例如：某光源的光色与黑体加热到绝对温度2400K所发出的光色相同时，则光源的色温为2400K，它在CIE1931色度图上的坐标为x=0.4862，y=0.4147。36注意：色温只是一种描述光源颜色的量值，色温相同的光源它们的光谱组成可能会有很大的不同。另外，它与光源本身的温度无关。37光源的显色性光源的显色性是光源颜色特性的又一方面，即物体在光源照明下所呈现颜色的真实性。真实的标准：日光下和火光下白炽灯的光谱分布与火光类似，显色性很好。具有与白炽灯和日光相似的连续光谱的光源均有较好的显色性。3839光源显色性的评价将待测光源下与参照标准光源下标准样品的颜色相比较，偏差越小，则待测光源的显色性越好。参照光源的显色指数Ra=100，当待测光源下与参照标准光源下的标准样品颜色相同时，则此光源的显色指数为100，显色性最好。反之，颜色差异越大，显色指数越低。40LED:What’sinside?ApackagedLEDelectrodessemiconductorchipepoxydomebondwires“silvercup”reflectorDifferentpartsofanLEDLED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。3.3LED的基本结构4142electrodessemiconductorchipepoxydomebondwires“silvercup”reflectorDifferentpartsofanLEDLED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED芯片43Led芯片的分类LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。水平结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于基底和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善水平结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。水平型垂直型44市场上几种常见的芯片Semileds垂直结构HPO垂直结构BRIDGELUX水平结构FI水平结构45垂直金属衬底LED两种芯片发光形式垂直结构46水平结构蓝宝石InGaN衬底LED65%左右的光从正面发出，35%的光从侧面发出47水平型结构Led侧面出光路线48垂直芯片制造技术制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法：一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条下，光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿长，不足处是须对LED表面进行处理以提高发光效率。三、是采用异质基板如Si基板成长GaN薄膜，优点是散热好、易加工。49垂直型芯片性能介绍当前市场LED芯片主要有两种结构：垂直型和水平型垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是：光效高：最高可达186lm\w，节能；电压低：蓝光在2.8~3.3V；热阻小：芯片本身的热阻小于1°C/W;亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀，耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光面宽，亮度高。光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光；唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需做特殊处理。50水平型芯片性能介绍水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是：光效一般：最高在