簡述LED發光原理

魏櫻

摘 要：本文從電子與空穴的復合發光、p-n結原理、異質結構和量子阱結構三個方面簡述了發光二極管的發光原理。

關鍵詞：LED，p-n結，直接帶隙，間接帶隙，異質結構，量子阱結構。

可見光LED的商用始于20世紀60年代。隨著高亮度LED和藍光以及白光LED的出現，LED的應用迅速推廣到更為廣泛的領域。本文從電子與空穴的復合發光、p-n結原理、異質結構和量子阱結構三個方面簡述了發光二極管的發光原理。

1 電子與空穴的復合發光

在半導體中，電子與空穴的復合有幾種過程，包括帶間躍遷，非本征躍遷以及帶內電子躍遷。在帶間躍遷中，包括導帶底電子躍遷到價帶頂與空穴復合，導帶熱電子躍遷到價帶頂與空穴復合，或導帶底電子躍遷到價帶與空穴復合。非本征躍遷是有雜質缺陷參與的躍遷，包括導帶底電子躍遷到受主能級與空穴復合，中性施主能級上的電子躍遷到價帶與其中的空穴復合，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合。

在實際情況下，半導體的溫度不太高時，電子和空穴結合為激子。這時電子

的能量處于導帶底的下方附近，空穴的能量處于價帶頂上方附近，可以在半導體中自由移動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體內，能帶勢能有很大起伏，這時載流子將處于一定的激發態并局域化在某一固定點附近，形成束縛激子。當另一種不同的載流子運動到其附近一定范圍內時，兩種載流子將復合。在雜質處也可形成束縛激子，在很多半導體中，束縛激子輻射湮滅是低溫和低過剩載流子密度時主要的發射機理。

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

價帶頂和導帶底位于同一k處的半導體稱為直接帶隙半導體，如GaAs、GaN。直接帶隙半導體更適合于發射和吸收光。價帶頂和導帶底不位于同一k處的半導體稱為間接帶隙半導體，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射光子，如聲子、等離子或具有適當動量的載流子。通常，三粒子過程發生的概率較低，因此間接帶隙材料不能通過本征復合途徑有效的發光。但是，在間接帶隙半導體中適當摻雜，可在局域態上實現較高效率的輻射復合。例如，在摻雜等電子雜質N、O的GaP中，導帶電子可能被雜質能級俘獲，形成輻射復合概率大的束縛激子。

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

2 p-n結原理

LED的基本部分是一個電致發光結構，它含有一個復合區產生輻射，并含有p型和n型兩種不同導電類型區以提供參與復合的載流子。在最簡單的設計中，這種結構基于p型半導體和同種材料的n型半導體之間的結，即p-n同質結，p型與n型半導體材料接觸部分附近為復合區。

當p型材料和n型材料緊密接觸后，界面處就會出現載流子濃度梯度，于是就會產生載流子的擴散運動。n區中的多數載流子電子從n區向p區擴散，而p區的多數載流子空穴則從p區向n區擴散。這樣使得p區和n區界面處形成空間電荷區，從而產生自建電場。載流子在自建電場的作用下又會產生漂移運動。擴散運動使得自建電場增大，這又導致漂移運動的增大，引起自建電場的減小。達到平衡時，載流子擴散電流等于漂移電流。

3 異質結構和量子阱結構

傳統的p-n結二極管利用摻雜控制載流子注入。n型和p型半導體界面附近的耗盡區內離化的施主和受主的電荷產生對電子和空穴的勢壘。以p-n同質結為基礎的LED存在嚴重缺陷，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用。

由化學組分不同而具有不同禁帶寬度的半導體組成的結構稱為異質結構。在異質結構中，有更高的載流子注入效率。異質結構的一種特殊情況是量子阱。

一個單異質結構的能帶圖如圖1所示。P型導電區域所用半導體材料的禁帶寬度為，小于n型區半導體材料的禁帶寬度。能量的不連續使向n型區擴散的空穴勢壘高度增加了價帶偏移量。電子的勢壘高度可能降低的值在0～范圍內，與界面的陡峭程度有關。因此注入電流之比增加到，這里。在這個結構中n型區對于p型區中產生的光子是透明的，這就減少了向結構中n型區一端傳播的光的再吸收。

一個雙異質結的能帶圖如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型的寬禁帶導電層中構成的。這樣使過剩載流子可從兩個方向注入有源層，電子和空穴在有源層中復合。此外，擴散過一個異質界面的少數載流子被第二個異質界面阻擋在有源層中不能繼續擴散出去。這就增加了有源區中過剩載流子的濃度，從而增加了輻射復合的速率。在這個結構中，兩個導電層對于發射光都是透明的，對于兩個方向傳播的光的再吸收效應都最小化，但是在有源層內仍存在再吸收。

單異質結構和雙異質結構都要求材料具有良好的晶格匹配。如果晶格常數相差太大，則會在異質界面產生大量缺陷，通常是高的線位錯密度，引起無輻射復合。

把有源層變薄是繼續增加輻射復合效率和減少再吸收的途徑。但是，當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，載流子的能譜會被改變，產生量子效應。這種異質結構稱為量子阱結構。

單量子阱和多量子阱是高亮度LED最通用的結構。在量子阱結構中，與異質界面垂直的x方向上的量子效應，出現了分離的能級，而不是自由運動對應的連續的能量。對于無限深的量子阱，這些能級距導帶底關系如下

在實際器件中，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的研制進展非常迅速，已經達到常規材料GaAlAs、GaAsP、GaP難以達到的性能水平。高亮度發光二極管正在強光信號燈的很多應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急信號燈。所以了解LED的發光原理尤為重要，為后續的單色光發光二極管的各性能研究奠定基礎。

參考文獻

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