簡述LED發(fā)光原理

魏櫻

摘 要：本文從電子與空穴的復(fù)合發(fā)光、p-n結(jié)原理、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)三個(gè)方面簡述了發(fā)光二極管的發(fā)光原理。

關(guān)鍵詞：LED，p-n結(jié)，直接帶隙，間接帶隙，異質(zhì)結(jié)構(gòu)，量子阱結(jié)構(gòu)。

可見光LED的商用始于20世紀(jì)60年代。隨著高亮度LED和藍(lán)光以及白光LED的出現(xiàn)，LED的應(yīng)用迅速推廣到更為廣泛的領(lǐng)域。本文從電子與空穴的復(fù)合發(fā)光、p-n結(jié)原理、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)三個(gè)方面簡述了發(fā)光二極管的發(fā)光原理。

1 電子與空穴的復(fù)合發(fā)光

在半導(dǎo)體中，電子與空穴的復(fù)合有幾種過程，包括帶間躍遷，非本征躍遷以及帶內(nèi)電子躍遷。在帶間躍遷中，包括導(dǎo)帶底電子躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合，導(dǎo)帶熱電子躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合，或?qū)У纂娮榆S遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合。非本征躍遷是有雜質(zhì)缺陷參與的躍遷，包括導(dǎo)帶底電子躍遷到受主能級與空穴復(fù)合，中性施主能級上的電子躍遷到價(jià)帶與其中的空穴復(fù)合，中性施主能級上的電子躍遷到中性受主能級，與受主能級上的空穴復(fù)合。

在實(shí)際情況下，半導(dǎo)體的溫度不太高時(shí)，電子和空穴結(jié)合為激子。這時(shí)電子

的能量處于導(dǎo)帶底的下方附近，空穴的能量處于價(jià)帶頂上方附近，可以在半導(dǎo)體中自由移動(dòng)的這樣的電子和空穴對被稱為自由激子。在組分空間不均勻的半導(dǎo)體內(nèi)，能帶勢能有很大起伏，這時(shí)載流子將處于一定的激發(fā)態(tài)并局域化在某一固定點(diǎn)附近，形成束縛激子。當(dāng)另一種不同的載流子運(yùn)動(dòng)到其附近一定范圍內(nèi)時(shí)，兩種載流子將復(fù)合。在雜質(zhì)處也可形成束縛激子，在很多半導(dǎo)體中，束縛激子輻射湮滅是低溫和低過剩載流子密度時(shí)主要的發(fā)射機(jī)理。

在輻射躍遷中，能量和動(dòng)量應(yīng)守恒。光子的動(dòng)量遠(yuǎn)小于電子和空穴的動(dòng)量，因此在輻射躍遷中如果只有電子和空穴參與，則電子和空穴的動(dòng)量基本相同的，這種電子從導(dǎo)帶到價(jià)帶的躍遷在能帶圖E（k）中基本上是豎直的。

價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底位于同一k處的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體，如GaAs、GaN。直接帶隙半導(dǎo)體更適合于發(fā)射和吸收光。價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底不位于同一k處的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體，由于能帶極值在k空間是分開的，帶間輻射躍遷需要第三種粒子輔助發(fā)射光子，如聲子、等離子或具有適當(dāng)動(dòng)量的載流子。通常，三粒子過程發(fā)生的概率較低，因此間接帶隙材料不能通過本征復(fù)合途徑有效的發(fā)光。但是，在間接帶隙半導(dǎo)體中適當(dāng)摻雜，可在局域態(tài)上實(shí)現(xiàn)較高效率的輻射復(fù)合。例如，在摻雜等電子雜質(zhì)N、O的GaP中，導(dǎo)帶電子可能被雜質(zhì)能級俘獲，形成輻射復(fù)合概率大的束縛激子。

電子與空穴的復(fù)合包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程主要有多聲子發(fā)射、俄歇復(fù)合、深能級非輻射復(fù)合中心復(fù)合以及表面復(fù)合。在特定條件下，輻射復(fù)合有一定的幾率，要提高發(fā)光二級管的發(fā)光效率，就要設(shè)法提高輻射復(fù)合效率。

2 p-n結(jié)原理

LED的基本部分是一個(gè)電致發(fā)光結(jié)構(gòu)，它含有一個(gè)復(fù)合區(qū)產(chǎn)生輻射，并含有p型和n型兩種不同導(dǎo)電類型區(qū)以提供參與復(fù)合的載流子。在最簡單的設(shè)計(jì)中，這種結(jié)構(gòu)基于p型半導(dǎo)體和同種材料的n型半導(dǎo)體之間的結(jié)，即p-n同質(zhì)結(jié)，p型與n型半導(dǎo)體材料接觸部分附近為復(fù)合區(qū)。

當(dāng)p型材料和n型材料緊密接觸后，界面處就會出現(xiàn)載流子濃度梯度，于是就會產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。n區(qū)中的多數(shù)載流子電子從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散，而p區(qū)的多數(shù)載流子空穴則從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散。這樣使得p區(qū)和n區(qū)界面處形成空間電荷區(qū)，從而產(chǎn)生自建電場。載流子在自建電場的作用下又會產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使得自建電場增大，這又導(dǎo)致漂移運(yùn)動(dòng)的增大，引起自建電場的減小。達(dá)到平衡時(shí)，載流子擴(kuò)散電流等于漂移電流。

3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的p-n結(jié)二極管利用摻雜控制載流子注入。n型和p型半導(dǎo)體界面附近的耗盡區(qū)內(nèi)離化的施主和受主的電荷產(chǎn)生對電子和空穴的勢壘。以p-n同質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的LED存在嚴(yán)重缺陷，如材料的光吸收問題和注入效率的問題，限制了其在照明中的應(yīng)用。

由化學(xué)組分不同而具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體組成的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有更高的載流子注入效率。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種特殊情況是量子阱。

一個(gè)單異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶圖如圖1所示。P型導(dǎo)電區(qū)域所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為，小于n型區(qū)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。能量的不連續(xù)使向n型區(qū)擴(kuò)散的空穴勢壘高度增加了價(jià)帶偏移量。電子的勢壘高度可能降低的值在0～范圍內(nèi)，與界面的陡峭程度有關(guān)。因此注入電流之比增加到，這里。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中n型區(qū)對于p型區(qū)中產(chǎn)生的光子是透明的，這就減少了向結(jié)構(gòu)中n型區(qū)一端傳播的光的再吸收。

一個(gè)雙異質(zhì)結(jié)的能帶圖如2所示。它是由一層窄禁帶p型有源層夾在分別為n型和p型的寬禁帶導(dǎo)電層中構(gòu)成的。這樣使過剩載流子可從兩個(gè)方向注入有源層，電子和空穴在有源層中復(fù)合。此外，擴(kuò)散過一個(gè)異質(zhì)界面的少數(shù)載流子被第二個(gè)異質(zhì)界面阻擋在有源層中不能繼續(xù)擴(kuò)散出去。這就增加了有源區(qū)中過剩載流子的濃度，從而增加了輻射復(fù)合的速率。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)導(dǎo)電層對于發(fā)射光都是透明的，對于兩個(gè)方向傳播的光的再吸收效應(yīng)都最小化，但是在有源層內(nèi)仍存在再吸收。

單異質(zhì)結(jié)構(gòu)和雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)都要求材料具有良好的晶格匹配。如果晶格常數(shù)相差太大，則會在異質(zhì)界面產(chǎn)生大量缺陷，通常是高的線位錯(cuò)密度，引起無輻射復(fù)合。

把有源層變薄是繼續(xù)增加輻射復(fù)合效率和減少再吸收的途徑。但是，當(dāng)有源層的厚度可以和晶體中電子的德布羅意波長想比擬或比它小時(shí)，載流子的能譜會被改變，產(chǎn)生量子效應(yīng)。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為量子阱結(jié)構(gòu)。

單量子阱和多量子阱是高亮度LED最通用的結(jié)構(gòu)。在量子阱結(jié)構(gòu)中，與異質(zhì)界面垂直的x方向上的量子效應(yīng)，出現(xiàn)了分離的能級，而不是自由運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的連續(xù)的能量。對于無限深的量子阱，這些能級距導(dǎo)帶底關(guān)系如下

在實(shí)際器件中，勢阱不是無限深的。對于有限深的對稱勢阱，電子能量由下式給出

近些年，高亮度AlGaInP和InGaN LED的研制進(jìn)展非常迅速，已經(jīng)達(dá)到常規(guī)材料GaAlAs、GaAsP、GaP難以達(dá)到的性能水平。高亮度發(fā)光二極管正在強(qiáng)光信號燈的很多應(yīng)用中替代濾色白熾燈，例如交通信號燈、汽車信號燈以及各類安全和應(yīng)急信號燈。所以了解LED的發(fā)光原理尤為重要，為后續(xù)的單色光發(fā)光二極管的各性能研究奠定基礎(chǔ)。

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