LED基本原理

LED照明技术第三章LED基本原理3.1发光二极管概述3.2电致发光理论3.3发光二极管基本原理3.4发光二极管用材料3.5发光二极管结构3.6发光二极管分类3.7发光二极管特性3.8白光LED§3.1概述LED（LightEmittingDiode）发光二极管，是一种具有两个电极的固态半导体发光器件，可以直接把电转化为光。LED的基本结构是一块电致发光的半导体晶片，置于一个有引线的架子上，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，然后四周用环氧树脂密封，以保护内部芯线。§3.1概述§3.1概述LED芯片的实质性结构是半导体PN结，核心部分由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通，反向截止，击穿特性，此外在一定的条件下，它还具有发光特性。§3.1概述§3.2电致发光理论半导体的发光机理分为以下三种形式：这里我们重点讨论电致发光。电致发光光致发光阴极发光半导体发光§3.2电致发光理论由电场（电流）激发载流子，将电能直接转变为光能的过程，称为电致发光，也称为场致发光。8§3.2电致发光理论导带中的电子与价带中的空穴复合时，一定要释放出多余能量，放出能量的方式有两大类：•发射光子，即能量以发射光子的形式释放，称为辐射复合•不发射光子，称为非辐射复合，最后转变为热能或激发别的载流子。在LED发光材料中，必须是辐射复合占优势，来提高光发射效率。9§3.2电致发光理论一、辐射复合辐射复合可直接由带间电子和空穴的复合产生，也可以通过晶体中的中间能级来产生。产生这些中间能级的缺陷或杂质叫发光中心。按电子跃迁方式可以把辐射复合分为下列两种。•直接复合•间接复合10§3.2电致发光理论一、辐射复合1.直接复合直接复合是指电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程，也称带间复合。这种复合产生的光子很容易被晶体基质吸收，只有采取特殊措施后才会有高的发光效率。11§3.2电致发光理论1.直接复合直接复合不需要第三者参加，为二体过程，其复合效率高。12§3.2电致发光理论13一、辐射复合1.直接复合•直接跃迁，发射光子的能量满足：•直接复合时，导带底与价带顶的波数k必定相同。GaAs、InP属于这种材料。§3.2电致发光理论142.间接复合间接带隙半导体，导带底和价带顶位于不同K值处，这时发生的带与带之间的间接跃迁。§3.2电致发光理论152.间接复合•间接复合过程中，除了发出光子外，还有声子参与。因此，这种复合比直接复合的概率小得多，一般为0.1%。•对于间接复合，在发射光子的同时还发射一个声子其中Ep是声子能量。§3.2电致发光理论16一、辐射复合2.间接复合GaP属于这种材料，但它的发光效率很高，这是因为GaP通过激子和等电子陷阱进行非带间复合。激子是半导体中的电子和空穴对，这些电子和空穴非常接近，以致于表现出类似于一个粒子，这就是激子。§3.2电致发光理论17一、辐射复合2.间接复合等电子陷阱：固体中的等电子杂质以短程作用为主的俘获电子或空穴后所形成的束缚态。所谓等电子杂质指与点阵中被替代的原子处于周期表中同一族的其他原子。例如GaP中取代P位的N或Bi原子。§3.2电致发光理论18一、辐射复合2.间接复合等电子杂质本身是电中性的，但由于它与被替代的原子有不同的电负性和原子半径，这些差异会产生以短程作用为主的杂质势，可以俘获电子(或空穴)。当这种杂质势的绝对值大于电子(或空穴)所处的能带的平均带宽或电子的有效“动能”时，能带中的电子（或空穴）便可能被等电子杂质所俘获并造成电子（或空穴）束缚态。§3.2电致发光理论19一、辐射复合2.间接复合相对于点阵原子而言，通常电负性大的等电子杂质形成电子束缚态，反之形成空穴束缚态。前者又称等电子受主，后者为等电子施主。这是两种最基本的等电子陷阱。§3.2电致发光理论202.间接复合（1）等电子陷阱的激子复合等电子杂质通过短程势俘获电子(或空穴)之后，成为负电（或正电）中心（即等电子陷阱），可以借助长程库仑作用吸引一个空穴（或电子），于是形成了等电子陷阱上的束缚激子。§3.2电致发光理论212.间接复合（1）等电子陷阱的激子复合例如GaP晶体中掺入氮原子，构成GaP：N。氮原子置换了P原子的位置后，氮原子仍为电中性。由于N和P有不同的电负性和原子半径（N原子半径小对其核外的电子作用强），使GaP：N具有更大的负电性，会俘获空穴，其后又会以库仑场力俘获电子。§3.2电致发光理论222.间接复合（1）等电子陷阱的激子复合由于等电子陷阱作用力的范围很窄，局限在杂质点附近，根据测不准原理，它在动量空间的波函数相当弥散，电子的波函数会扩展到k=0处，从而与处价带中的空穴互相作用有可能实现准直接跃迁而使辐射复合几率显著提高。§3.2电致发光理论232.间接复合（1）等电子陷阱的激子复合GaP：N发绿光，主要是依靠激子的辐射跃迁发光。§3.2电致发光理论242.间接复合（2）D-A对复合当施主和受主同时进入晶格格点，形成近邻对。这种施主和受主形成的联合发光中心称为施主受主对，也称D-A对。D-A对复合是指施主俘获电子和受主俘获空穴之间的复合，是一种发射光子能量小于带隙的重要机构，它能明显地提高间接带隙半导体的发光效率。§3.2电致发光理论252.间接复合（2）D-A对复合施主俘获电子(施主只有电子才可以俘获俘获电子)和受主俘获空穴的状态都是电中性的，当它们所俘获的电子和空穴复合时，施主带正电，受主带负电，所以这种复合具有库伦作用，产生一个电离的施主—受主对。例如发红光的GaPLED是在p型的GaP中同时掺入Zn（或Cd）和氧，形成最临近的D-A对。§3.2电致发光理论262.间接复合（2）D-A对复合氧原子和锌原子分别取代相临近的磷原子与镓原子。氧原子在导带下0.89eV处形成深施主能级，锌原子在价带上0.06eV处形成浅受主能级。它们形成一个电中性的发光中心Zn-O。它的复合发红光（700nm）。GaP：ZnOLED的内量子效率可达35%。§3.2电致发光理论27二、非辐射复合非辐射复合主要有以下三种方式：1.俄歇复合是指电子-空穴对复合时，使另一载流子获得能量而跃迁到更高能量状态。多发生在载流子浓度很高的情况下。§3.2电致发光理论28二、非辐射复合2.非发光复合中心复合：是指发出的光不在测量范围内。在LED中表面复合属于这一种，并起着较大作用。3.多数声子跃迁过程是指电子-空穴对复合时，多余的能量以多个声子能量放出（即变成热量）。降低非辐射复合是提高LED发光效率的一个重要方面。§3.3发光二极管基本原理p-n结处于热平衡状态下，热激发与复合不断地进行着，但产生的光子在通过半导体时又被吸收，见不到发光，必须在半导体内激发出非平衡载流子。发光二极管主要是p-n结注入器件，典型的是采用直接带隙半导体材料，在器件中电子空穴对(EHP)复合导致光发射，发射光子的能量近似等于禁带宽度的能量差(hv=Eg)。§3.3发光二极管基本原理一、平衡LEDpn结构及能带图在器件中，与P型区相比，N+型区为重掺杂，N+型区和P型区接触后，由于N+型区的电子向P型区扩散，P型区的空穴向N型区扩散，在器件中费米能级逐步趋于一致，器件处于未加电压条件下的平衡状态。§3.3发光二极管基本原理一、平衡LEDpn结构及能带图空间电荷区主要在p-n结的P型一侧。N+型区的Ec和P型区的Ec之间有个能量差ΔEc=eVo，其中Vo为自建电压。在N+型区较高的自由电子浓度促进了自由电子由N+型区向P型区的扩散，然而净自由电子的扩散又受到自建势垒的抑制。§3.3发光二极管基本原理二、正偏LEDpn结构及能带图当发光二极管被施加正向偏压时，由于发光二极管的大部分电阻来自空间电荷区，所以大部分电压主要也是加在空间电荷区，自建势垒由原来的V0被降低到V0-V，未加偏压时的平衡被打破，来自N+型区的电子开始向P型区扩一散，或叫注入。§3.3发光二极管基本原理二、正偏LEDpn结构及能带图§3.3发光二极管基本原理二、正偏LEDpn结构及能带图由于从P型区向N+型区注入的空穴数远远小于从N+型区向P型区注入的电子数，注入电子的复合主要发生在空间电荷区的P型一侧，光子的自发辐射主要也发生在空间电荷区的P型一侧。复合发光首先发生在空间电荷区P型一侧，大约深度为自由电子的扩散长度，发生复合发光的区域通常被称为活性区。§3.3发光二极管基本原理二、正偏LEDpn结构及能带图根据统计学规律，电子空穴对复合发光所发射光子的方向是随机的，这样发光二极管的结构就显得十分重要了。它要求发射的光子能够有效地从器件中发射出来，不至于被半导体材料自身所吸收，这就要求P型区尽可能薄，减少吸收，或采用异质结构器件。§3.4发光二极管用材料一、LED用材料的基本要求1.材料电导率要高为了制备优良的pn结，要有p型和n型两种外延材料，为了获得较大的结电场，p区和n区的载流子浓度应足够高，通常掺杂浓度不应小于1017/cm3，另一方面为了减小正向串联电阻，应尽量选取高迁移率的材料，以便获得较高的体电阻。§3.4发光二极管用材料一、LED用材料的基本要求2.材料晶体完整性要好晶体的位错、空穴等缺陷及氧气等外来杂质的，导致了复合中的质量问题，从而对发光效率产生了很大的影响，因此获得完整性好的优质晶体是制造高效率LED的必要条件。§3.4发光二极管用材料一、LED用材料的基本要求3.材料发光复合几率要大发光效率大对于提高发光效率是必要的，一般采用直接跃迁型半导体材料——四元半导体化合物材料。四元半导体化合物材料的禁带宽度随着组份变化而变化，晶体结构也会随组份而从直接跃迁型变到间接跃迁型。在外延材料的结构设计中，如何适当地选择组份对提高发光效率也是很重要的。§3.4发光二极管用材料一、LED用材料的基本要求4.材料禁带宽度合适LED的波长取决于材料的禁带宽度，pn结注入的少数载流子与多子复合发光时，释放的光子的峰值波长与禁带宽度的关系可表示为：λ≈1.24/Eg（um）Eg的单位为电子伏特（eV）。§3.4发光二极管用材料一、LED用材料的基本要求4.禁带宽度合适若要LED产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），这就要求LED用材料有合适的禁带宽度。半导体材料的Eg应在1.72～3.1eV之间。§3.4发光二极管用材料二、制备LED所用的半导体材料Si的Eg是1.12eV，不能用；GaAs的Eg是1.43eV，用它做的LED光谱中心为0.87um，也不行。从能带情况看II-VI族化合物半导体很吸引人，带隙覆盖整个可见光，且是直接能带。但它们有严重的“自补偿”作用，难以制成好的p-n结或者达不到重掺杂，注入效率不高。§3.4发光二极管用材料二、制备LED所用的半导体材料所谓“自补偿”是指当对半导体掺入施主杂质时，同时会出现阳离子空穴，起受主作用，补偿了施主；反之，当半导体掺入受主杂质时，同时出现了阴离子空位，起施主作用，补偿了受主。§3.4发光二极管用材料二、制备LED所用的半导体材料实用LED的材料绝大多数为III-V族化合物半导体材料及其多元混晶，包括：•二元系GaAs、GaP、GaN、AIP、SiC；•三元系GaAsP、A1GaAs、InGaN、A1GaN、InGaP、AIGaP；•四元化合物InGaAIP,InGaAsP等§3.4发光二极管用材料二、制备LED所用的半导体材料1、二元合金由三种III族元素（Al，Ga，In）和三种五族元素（P，As，Sb）可组成9种二元化合物，它们的禁带宽度见下表：§3.4发光二极管用材料二、制备LED所用的半导体材料1、二元合金铝化合物容易氧化，多不采用。只有GaP适合，它的禁带Eg=2.34eV，是间接能隙，是二元III-V族化合物中唯一用于LED生产的材料。掺Zn、O的GaP发红光，外量子效率可达2%~4%，这是由于Zn、O两种杂质原子在P型GaP材料处于相邻晶格点时形成电中性的分子中心Zn-OD-A对。§3.4发光二极