《发光二极管》PPT课件

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半导体中发光是产生浓度超过热平衡值 的电子和空穴的复合 激发载流子的方式有四种： （1） 光致发光：是由能量大于半导体能 带间隙的入射光吸收产生少数载流子的 过程。它在研究半导体材料时常用 （2）阴极的射线发光：剩余载流子的产 生是由高能电子电离的电子空穴队而来 的。每一个入射的电子产生的电子空穴 对数目是非常大的（对于一个10kev的电 子，其典型数为103）
2、特点： B高，室温下，全色LED大屏幕，5000－ 10000cd/m2 工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配 响应速度快，10－7 － 1 0－9s 彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED 尺寸小，寿命长（十万小时） 视角宽，96年，达80度；97年，达140度
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3、缺点： 电流较大，对七段式LED数码管，10mA/段 功耗大，装配大型矩阵屏时散热问题突出
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（3）放射线发光：由各种高能粒子轰击发 光物体产生电子空穴对而引起发光
（4）电致发光：它是由于外加电场而产生 少数载流子的过程利用这种现象制成的 器件有LED、LD、EL等
二、复合过程
电子空穴对一旦由上面提到的某种激发 过程产生，电子将回到它的较低能量的 平衡态并与空穴复合。这种复合能够通 过两种途径发生：辐射复合，非辐射复 合
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直接跃迁和间接跃迁
电子吸收光子的跃迁过程必须 满足能量和动量守恒，电子在 跃迁过程中波矢保持不变 (在 波矢k空间必须位于同一垂线 上）直接跃迁
常见半导体GaAs就属于此类： 直接带隙半导体
直接跃迁中吸收系数α 和光子能量的关系为
1
{ (h ) A(hEg)2
hEg
0
hEg
（A为一基本常数）ห้องสมุดไป่ตู้16
发光二极管
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整体概况
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概况2
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概况3
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2.1 引言
1、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光， 是利用半导体或类似结构把电能转换成光能 的元件，属于低场下的注入式电致发光。
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半导体材料如GaAs,Inp等，由于价带极大 与导带极小对应于同一位置（零动量位 置）这种半导体材料的能带称为直接带 隙半导体能带，也即是说，在直接带隙 半导体的电子能量E（k)与波数K关系曲 线中，导带极小与价带极大具有相同的K
值，电子与空穴在这种材料中的复合为 二体过程，辐射效率不高。
如果半导体材料的E（k)~K曲线中，导带 极小与价带极大对应于不同的K值，称为 间接带隙半导体能带。
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在半导体Ⅲ -Ⅴ族化合物如GaP中，选用特定的杂 质通常是从 Ⅵ 族施主Te、Se、和S，以及从Ⅱ 族 受主Zn、Cd和Mg当中进行挑选。这种半导体材料 （ GaP ）在常温下通过激子(是指电子处于激发状 态但不能自由行动，被空穴所产生的库仑场俘获的 原子或分子)来进行非间带复合跃迁。
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1. 辐射复合 辐射复合可直接由带间电子和空穴复
合产生，也可通过由晶体自身的缺陷掺 入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间 能级来产生；这些缺陷或杂质就叫做发 光中心。按电子跃迁的方式可把辐射分 成两种 带间复合 带间复合是指导带中的电子直接与价带中 空穴复合，产生的光子能量易接近等于 半导体材料的禁带宽度。
holes
~104 V/cm electric field at junction limits size of depletion region
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2.2.1 LED的物理基础
复合理论
一. 载流子的激发
• 半导体中的发光是原子能态之间辐射跃 迁的结果。辐射复合速率是由高能态的 电子密度、空着的低能态密度以及这两 种能态之间的跃迁几率三者乘积决定的。 因为半导体中相邻原子的间隔小（～ 5Å），它们的轨道电子的波函数相互作 用，因此形成允许的能带而不足形成分 离的能级（如在孤立的原子中），发光 产生与带间的跃迁，因此不是单色的， 而是扩展遍及一般为几百Å宽的波长间距
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Current LED Technology
Axial Intensity
100
10
GaInN
GaInN
GaInN
Al In GaP Al In GaP
GaA I As (DH)
Al In GaP GaP: N
1
0.1 400
GaAsP GaAsP GaAsP
GaP : N SiC
450
500
550
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非间接复合
施主和受主杂质不仅决定于材料的导电 类型和电阻率，而且当杂质是发光中心时， 它们还支配着辐射复合过程，杂质取代晶 体内部的基质原子，其位置不规则，因而 委形成周期性排列。杂质能级在动量空间 扩展开，特别是出现在K＝0处，（说明杂 质能级于半导体的价带顶或导带低具有相 同的动量）。这说明为何含有杂质能级的 跃迁能如此有效，复合的辐射部分可以发 生在从导带到受主或从施主到价带，跃迁 更经常发生在施主和受主能态之间，因为 它们分别单独为电子和空穴提供低能态。
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带间复合必需涉及一个第三者的粒子以保 持动量守恒。声子（晶格振动)就是这里 的第三者。但是这种三粒子过程中电子 －空穴复合的几率比直接带隙材料中小 2～3个数量级，Si、Ge、GaP等都属于间 接带隙，这类材料将两种带间复合的能 带示于下图
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两种带间复合 E（k）
Eg
hυ＝Eg
K 直接带隙半导体能带
4、简史 1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入 式电致发光 60年代末，LED得到迅速发展 1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料 隙得到橙、黄、绿的LED 80年代，蓝光的LED研制出来，用宽带隙n型或 半绝缘的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基势垒 形成
600
650
Wavelength in nm
700
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2.2 LED的发光机理
PN结断面示意图
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What happens when p-type & n-type semiconductors are connected? Holes and e’s migrate across p/n junction.
E（k）
hυ＝Eg＋Ep
Eg hυ＝Eg －Ep
K 间接带隙半导体能带
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间接跃迁：动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和 晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而 达到动量守恒. 光吸收系数（1-103 cm-1）比直接跃迁 （104 - 106 cm-1 ) 小得多。
Si：间接带隙 半导体