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半導體發(fā)光二極管的基本原理

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作者: 時間:2008-01-04 來源:電子元器件網(wǎng) 收藏

    目前使用的大部分燈具是白熾鎢絲燈或者采取氣體放電,而)的發(fā)光原理則與大部分燈迥然不同。自發(fā)性(Spontaneous)的發(fā)光是由于電子與空穴的復合而產(chǎn)生的。一般的,多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體為材料。圖1示出的是Ⅲ- Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的帶隙(Bandgap)與晶格常數(shù)(Lattice Constant)的關系。由圖可知,這些材料的發(fā)光范圍由紅光到紫外線,目前紅光的材料主要有AlGaInP,而藍綠光及紫外線的主要材料則有 AlGaInN。雖然Ⅱ-Ⅵ族材料也可以得到紅光和綠光,但是這族材料極為不穩(wěn)定,所以目前使用的發(fā)光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。

    發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙(Direct Bandgap)有關,圖2(a)是直接帶隙材料,包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等,這些材料的導帶最低點與價帶最高點在同一K空間。所以電子與空穴可以有效地再復合(Recombination)而發(fā)光。而圖2(b)的材料均是間接帶隙(Indirect Bandgap),其帶隙即導帶最低點與價帶最高點不在同一K空間,以致電子與空穴復合時除了發(fā)光外,還需要聲子(Phonon)的配合,所以發(fā)光效率低。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。

    在直接帶隙材料中,電子與空穴復合時,其發(fā)光躍遷(Radiative Transition)有多種可能性,如圖3所示。圖3(a)是帶間復合,圖3(b)是自由激子(Exciton)相互抵消,圖3(c)是在能帶勢能波動區(qū)域低勢能區(qū)局部束縛激子的再復合。圖3(a)及(b)是一般AlGaInP紅光產(chǎn)生光的原理,而圖3(c)則是AlGaInN的藍光及綠光 產(chǎn)生光的原理。{{分頁}}

    上述的“復合”是由于本身內(nèi)部(Intrinsic)產(chǎn)生的,但是假設將雜質(zhì)(Impurity)摻入半導體,則會在帶隙中產(chǎn)生施主(Donor)及受主(Acceptor)的能級,因此又可能產(chǎn)生不同的復合而發(fā)出光如圖4所示。圖4(a)是受主與導帶復合,圖4(b)是施主與價帶復合,圖4(c)是施主與受主的再復合,圖4(d)是激子再復合。

    當電子與空穴復合而產(chǎn)生光時,這些光被稱為自發(fā)輻射(Spontaneous Emission),其光的方向如圖5(a)所示,是多方向的,這是發(fā)光二極管的發(fā)光特性。但是,如果發(fā)出的光是激發(fā)輻射(Stimulated)的,如圖5(b)所示其方向一致,則此種元件被稱為半導體激光二極管(LD:Laser Diode)。目前要得到高功率LED就是要得到非常高的自發(fā)輻射。

    圖6所示為發(fā)光二極管pn結(Junction)的能帶結構,p型半導體是摻雜了受主雜質(zhì),而n型則是摻雜了施主雜質(zhì),將兩種材料放在一起即得到pn結。 n型半導體中產(chǎn)生電子,p型半導體中產(chǎn)生空穴,在其中間產(chǎn)生耗盡層(Depletion Layer)。當正向偏壓(Forward Bias)加在pn結時,多余的載流子(Carrier)會經(jīng)過耗盡至而滲透至對方。圖6所示的是pn結能帶,其中,圖6(a)表示在平衡狀態(tài),圖6 (b)表示在正向偏壓時,圖6(c)表示在注入高密度電流時的電子與空穴復合產(chǎn)生光的情況,至于不發(fā)光的復合,則有通過禁帶中央深能級(Deep Trap Center)的復合以及在晶體中產(chǎn)生的熱能損失。{{分頁}}

  當電子與空穴復合時產(chǎn)生不同波長的光,而光波λ與能量E間的關系是

  其中,h是普朗克常數(shù);c是光速。{{分頁}}

    所有的發(fā)光元件都需要具有高的內(nèi)部量子效率(Internal Quantum Efficiency),即產(chǎn)生的光子(Photon)與進入pn結內(nèi)的載流子之比,同時也要有高的外部量子效率(External Quantum Efficiency),即產(chǎn)生的發(fā)光光子數(shù)目與越過pn結的載流子數(shù)目之比,外部量子效率比內(nèi)部量子效率低,原因之一是有些光在材料表面輻射之前被吸收,而且光到達表面時只有低于臨界角(Critical Angle)的光才能輻射。

    要得到高的內(nèi)部量子效率,一部分與結構有關,簡單的pn結用同質(zhì)結構(Homo-Structure)不易得到高效率,因為pn結材料間折射率之差低,光的閾值也低,其結果如圖7(a)所示。用圖7(b)所示的雙異質(zhì)結構(DH:Double-Hetero Structure),可以提高效率。在雙異質(zhì)結構中,pn結材料與中間活性層(Active Region)的材料不同,帶隙較高,可以得到較高的折射率之差,所輻射的光不但強而且半高寬較窄,如圖7(b)所示,所以此種結構已完全取代同質(zhì)結構。

    目前,LED的活性層也采用了半導體激光器所用的量子阱(Quantum Well)結構,圖8所示是量子阱能帶圖。當活性層的厚度減小到與德布羅意(de Broglie)波長相近時,量子力學現(xiàn)象出現(xiàn),這些薄的活性層就是量子阱,量子阱的數(shù)目可以是一個到數(shù)十個,量子阱的帶隙是不連續(xù)的(Discrete),也是分離的。用量子阱可以得到小的臨界電流(Threshold Current),同時量子阱的材料可以改變晶格不匹配以產(chǎn)生壓縮性或者伸張性應變(Strain),這些應變可以改變波長并減少臨界電流。

    用AlGaAs及AlGaInP均可得到紅光,用AlGaInN可以得到藍光、綠光及紫外線,一般都用MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法或OMVPE(Organic Metal Vapor Phase Epitaxial)法生長AlGaInP及AlGaInN材料,用不同量子阱材料得到不同顏色的LED。圖9(a)所示是一些例子,例如用AlGaAs 得到649nm紅光,用AlGaInP得到594nm的琥珀色光,用AlGaInN得到517nm的綠光及465nm與427nm的藍光等。這些LED的 I-V(電流-電壓)特性示于圖9(b)。由圖可見,AlGaAs DH LED 及AlGaInP DH LED 的I-V特性相近,效率r=2表示電流主要是用作發(fā)光的再復合,AlGaInN DH LED 則不同,低電流主要是隧道(Tunnelling)電流,但是AlGaInN SQW(單量子阱)低電流時 r=2,高電流時有高電阻。圖10所示是可見光LED的發(fā)展史,自1970年左右開始紅光LED的光功率不斷上升,但是藍光LED的特性到1992年后才突飛猛進。{{分頁}}

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