LED发光原理及牲

• 光的颜色与芯片的材料有关系。 • 材料不一样，电子和空穴复合的能量不
一样，发出的光也不一样。 • 红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、
GaAlAs • 蓝、绿光芯片的主要材料：GaN、 InGaN
窗口层
P-限制层 活性层 N-限制层 布拉格反 射层 衬底
LED是利用化合物材料制成pn 结的光电器件。它具备pn 结结型器件的特性：
• 若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红 光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.26 eV 之间。
• 在此能量范围之内，带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族 或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、 GaP等少数材 料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合物 组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶体， 通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙 类型。
1。电子迁移率比空穴大得多。 2。N区的电子注入P区速度小，跃迁到价带与注入和空穴 复合，发射出由N型半导体能量所有决定的光。
LED大都采用直接跃迁材料：
直接带隙半导体 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空
间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满 能带）只需要吸收能量。
• LED实质性核心结构是由元素 谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合 物材料构成的p-n结。
物体的 发光方式
：又叫热辐射，是指物质在高温下发
出的光。白炽灯：当钨丝在真
热光
空或是惰性气体中加 热至很高的温度，就
会发出白光。
冷光
：某种能源在较低温度时所发
生出子物的的发光一。个光发电：冷子萤光受火时外虫，力某作个用原从 化基于学态这发激种发状光到态：较是荧高不光的稳粉能定态的。，由该 阴电极子射通常线以发光光的：形荧式光将灯能量、
（1）电学特性
（2）光学特性
（3）热学特性
电 学 I-V特性
响应时间
特 允许功耗 性
LED的伏-安（I-V）特性
（1） LED的伏-安（I-V）特性是流过芯片PN 结电流随施加到PN结两端上电压变化的特性， 它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作 优劣的重要标志。
（2）LED具有单向导电性和非线性特性。
直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）的例子：GaAs、InP 半导体。相反，Si、Ge是间接带隙半导体。
直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢 不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中，动 量可保持不变——满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到价带 （即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子 与空穴只要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。因 此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可 以把能量几乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把能 量交给晶体原子）——发光效率高（这也就是为什么发光器件多半采用 直接带隙半导体来制作的根本原因）。
550
青（Cyan）
500～470
500
蓝（Blue）
470～420
470
紫（Violet）
420～380
420
• 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）
• 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。
• Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会 蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就 越长，颜色就会红移。
VB
击 穿 区
反向死区
IF 正向电流
正 向 工 作 区
0
死区电压
对LED较为重要的电学参数
开启电压UON 正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR
正 是 发 在 需向指光实要工发时际选作光的使择电二正用I 在流极向中管电应I ：正流根它常值据。 最电穿一料开电欧大G大压般损正 的 下 在 压 般 作 高a不1I的反势散但外参为启 流 ，姆1反 。 在坏.R-向工得IV在电时<x同 8反运向垒是电与0不1电，开导FFA。向超-，V=在0l漏 电 ， 场 导向动2工作到压，I，而μ同2G通压电始x反电过VF，电 场 当 的 电 击aA01=A以G有N作电的VVs而以特：压发压此向m.3穿所： 方 反 作 ，a大FF为上A55在将些P下异当 向 向 用 因 现以一光电性电压。值击V（时～01致反R即差只加 相 电 下 而 象0。m2下m超。压，，穿u绿压是小：向是测2A～反 同 压 ， 此有。A可异G。过开在电发电.时降漏色所正很向 ， 加 把 时1a在功V。得84）反.A电开启开流F压光电 便 大 晶 反小向）允：V测V。F5s向给率，流V是的。。的压 阻 到 格 向的随启点启也二是许电（参得IG发反时 止 一 中 电定彩1R电点电点极因，功在流（a2加实.，了定的流向光数的P.0越， 压以压V的色管材（0的正率外电外多程电突管际V=V小，表，F很 因前增可料加数度子然流反红 ， -正L最值向级界，5EG向流电载时强增快 半几加V能而中正色G大说因a）向D工温La场流，拉大过漏A就 导乎迅一异被明时）N反给向Exs管与子结出，电电值1作度DL速显 体没，击，为是-般向流子内的在来出E出工一xDG流的P出 材增有电升。建扩内，现的ax是P， 0.6·I 以下。 单F向m2导.5电V性。能越好。
LED的输出光谱决定其发光颜色和光辐射纯度，也反映出半导体的特 性。
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁 （Radiative Transition）有以下可能性：
导 带
Ｅｇ
价 带
（１）带间复合
导带
价带
（２）自由激子相互抵消
Ｅｃ
Ｅｖ
（３）在能带势能波动区， 局部束缚激子的复合
释放出来，回到基态。
金卤灯
场致发光：无极灯
电致发光：LED
电致发光原理：电场的作用 激发电子由低能态跃迁到高 能态，当这些电子从高能态 回到低能态的时候，根据能 量守恒原理，多余的能量将 以光的形式释放出来。
LED发光原理：电子与价带 上的空穴复合，复合时得到 的能量以光子的形式释放。
LED发光原理图
图（１）和（２）是一般ＡｌＧａＩｎＰ红光ＬＥＤ产生光的原理， 而图（３）是ＡｌＧａＩｎＮ蓝光ＬＥＤ产生光的原理．
光 子
EHale Waihona Puke Baidu
各种颜色光的波长
光色
波长λ（nm)
代表波长
红（Red）
780～630
700
橙（Orange）
630～600
620
黄（Yellow）
600～570
580
绿（Green）
570～500
第二章
LED的发光原理 及特牲
• LED的发光原理 • LED的光、色、电特性 • LED的种类 • LED的特点 • 白光LED的实现
• LED是“light emitting diode”的英文缩写。
• 中文名:发光二极管。
• LED是一种将电能转换为光能 的固体电致发光(EL) 半导体 器件。