LED电子器件原理
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1.能带理论
固体能带理论
2.掺杂
目录
Pn结及电子空穴 符合发光理论
1.发光的分类 2.Pn结 3.复合发光理论
白光LED
1.LED结构 2.LED蓝光芯片 3.发光原理
生长方法 相关简介
结构简介
4.前景展望与技术革新
能带理论的提出：固体的力、热、光和电磁学性能与其 内部的电子运动状态密切相关
1900年特鲁德（P.Drude）提出经典自由电子模型：成功
杂质的一种手段：施主和受主掺杂
被施主杂志束缚的电
子的能量比导带Ec低，
电
成为施主能级ED；施 主能级靠近导带底部
离 前
施主杂质的电离能小，
基本电离导致导带上
产生大量的电子
电 离 后
受主掺杂：
受主杂质能级靠近价带顶
电
部，具有很强得到电子的
离
性质，这类杂质向价带提
前
供空穴
受主能级出现
Ec 电
离 后
– – – – – – – EA
电子、空穴符合理论： 直接复合：
1、按复合机构 间接复合：
按能量 放出形式
发射光子：辐射复合 俄歇复合：无辐射复合
发射声子：无辐射复合
•LED的结构：
LED的心脏是图中标识为E
的半导体晶片，晶片
由P型和N型半导体两部分 组成，形成PN结。晶片分 别连接在电源的正负极上， 加上偏压后即可产生蓝光、 红光和绿光
解释金属导热导电行为
1928年索末菲（A.Sommerfeld）借助费米-狄拉克的统
计理论建立了量子化的自由电子气模型，解释了金属
电子热容、磁化率的问题
1928年，布洛赫（F.Bloch）运用量子力学原理分析了
电子所具有的基本特征，为固体能带理论奠定了基础
能带理论的基本出发点和相关假设：
近自由电子 近似
周期性势场 近似
绝热近似：电子 可看作在由原子 核产生的固定不 动的势场中运动
平均场近似：每 个电子所处的是 能均相同，故其 与其他电子的势 能仅取决于自身 的位置
周期性势场近似： 假定是理想晶体， 每个电子均处在 其他电子的平均 势场合离子实产 生的周期性势场 中运动
即：考虑一理想完整晶体，所有的原子实都周期性地静止排列在
LED发光原理：电致发光和光致发光 定义：用电场或电流激发产生的 发光，以前也叫场致发光。
半导体p-n结在较低正向电压之下注入 少数载流子，然后少数载流子与多数载 流子在结区附近相遇复合而发光或者通 过局域中心而发光。
半导体芯片所发出的蓝光激发YAG荧光 粉发出红、绿光，剩余的蓝光与产生的 红、绿光复合产生白光
其平衡位置上，每个电子都处在除其自身外其他电子的平均势场
和原子实的周期场中运动
能带理论：
研究固体中电子运动的主要理论基础 定性阐明晶体中电子运动的普遍性特点 从原子结构水平上说明了导体、半导体、绝缘体的区别 解释了晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子间距
掺杂：为改变半导体的而人为的想半导体中掺入施主杂质和受主
其他主要LED生产厂家
结论
1、白光LED具有节能、高效、寿命长、污染小等特点
2、未来的显示、照明市场一定是属于白光LED
3、应尽快在国内普及白光LED照明，减少能源损失
4、挑战与机遇并存，我国相关行业要加大研发力度，后 发制人
5、我国国内相关行业应加大研发力度，力求摆脱日本日 亚等公司的专利束缚
+ + +++++ +
Ev
由于掺杂使得：
n型半导体：a 施主 杂质电离，导带中 出现施主提供的电 子；b电子浓度n> 空穴浓度p
•P-n结
+++ 内建电场E′
e- e- e-
P型半导体：a 受主 杂质电离，价带中 出现受主提供的空 穴；b空穴浓度p> 电子浓度n
Pn结工作原理：
发光原理：当给 Pn 结施加正向电压时， 电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注 入N 区，进入对方 区域的少数载流子 的一部分与多数载 流子复合而发光
白光LED未来发展前景展望 白光光源性能比较
白光LED未来发展前景展望
各种LED制造方式的优缺点
我国LED行业面临的机遇和挑战
挑战：
LED专利壁垒 形成
行业垄断寡Hale Waihona Puke Baidu头
国内行业主要集中 在下游
机遇： 专利到期格局 生变
研究新材料，绕过 既定专利
国内LED市场需求 巨大
中国主要LED生产厂家
LED蓝光芯片流程
Sapphire 蓝宝石
衬底材料生长
LED结构 芯片加工 MOCVD生
芯片切割
器件封装
长
• MOCVD法生长GaN
LED芯片结构
• MQW=Multi–quantum well （多量子阱）
图形衬底生长GaN
衬底截面
生长GaN截面
GaN表面
采用图形衬底，进一步提高了GaN质量。
固体能带理论
2.掺杂
目录
Pn结及电子空穴 符合发光理论
1.发光的分类 2.Pn结 3.复合发光理论
白光LED
1.LED结构 2.LED蓝光芯片 3.发光原理
生长方法 相关简介
结构简介
4.前景展望与技术革新
能带理论的提出：固体的力、热、光和电磁学性能与其 内部的电子运动状态密切相关
1900年特鲁德（P.Drude）提出经典自由电子模型：成功
杂质的一种手段：施主和受主掺杂
被施主杂志束缚的电
子的能量比导带Ec低，
电
成为施主能级ED；施 主能级靠近导带底部
离 前
施主杂质的电离能小，
基本电离导致导带上
产生大量的电子
电 离 后
受主掺杂：
受主杂质能级靠近价带顶
电
部，具有很强得到电子的
离
性质，这类杂质向价带提
前
供空穴
受主能级出现
Ec 电
离 后
– – – – – – – EA
电子、空穴符合理论： 直接复合：
1、按复合机构 间接复合：
按能量 放出形式
发射光子：辐射复合 俄歇复合：无辐射复合
发射声子：无辐射复合
•LED的结构：
LED的心脏是图中标识为E
的半导体晶片，晶片
由P型和N型半导体两部分 组成，形成PN结。晶片分 别连接在电源的正负极上， 加上偏压后即可产生蓝光、 红光和绿光
解释金属导热导电行为
1928年索末菲（A.Sommerfeld）借助费米-狄拉克的统
计理论建立了量子化的自由电子气模型，解释了金属
电子热容、磁化率的问题
1928年，布洛赫（F.Bloch）运用量子力学原理分析了
电子所具有的基本特征，为固体能带理论奠定了基础
能带理论的基本出发点和相关假设：
近自由电子 近似
周期性势场 近似
绝热近似：电子 可看作在由原子 核产生的固定不 动的势场中运动
平均场近似：每 个电子所处的是 能均相同，故其 与其他电子的势 能仅取决于自身 的位置
周期性势场近似： 假定是理想晶体， 每个电子均处在 其他电子的平均 势场合离子实产 生的周期性势场 中运动
即：考虑一理想完整晶体，所有的原子实都周期性地静止排列在
LED发光原理：电致发光和光致发光 定义：用电场或电流激发产生的 发光，以前也叫场致发光。
半导体p-n结在较低正向电压之下注入 少数载流子，然后少数载流子与多数载 流子在结区附近相遇复合而发光或者通 过局域中心而发光。
半导体芯片所发出的蓝光激发YAG荧光 粉发出红、绿光，剩余的蓝光与产生的 红、绿光复合产生白光
其平衡位置上，每个电子都处在除其自身外其他电子的平均势场
和原子实的周期场中运动
能带理论：
研究固体中电子运动的主要理论基础 定性阐明晶体中电子运动的普遍性特点 从原子结构水平上说明了导体、半导体、绝缘体的区别 解释了晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子间距
掺杂：为改变半导体的而人为的想半导体中掺入施主杂质和受主
其他主要LED生产厂家
结论
1、白光LED具有节能、高效、寿命长、污染小等特点
2、未来的显示、照明市场一定是属于白光LED
3、应尽快在国内普及白光LED照明，减少能源损失
4、挑战与机遇并存，我国相关行业要加大研发力度，后 发制人
5、我国国内相关行业应加大研发力度，力求摆脱日本日 亚等公司的专利束缚
+ + +++++ +
Ev
由于掺杂使得：
n型半导体：a 施主 杂质电离，导带中 出现施主提供的电 子；b电子浓度n> 空穴浓度p
•P-n结
+++ 内建电场E′
e- e- e-
P型半导体：a 受主 杂质电离，价带中 出现受主提供的空 穴；b空穴浓度p> 电子浓度n
Pn结工作原理：
发光原理：当给 Pn 结施加正向电压时， 电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注 入N 区，进入对方 区域的少数载流子 的一部分与多数载 流子复合而发光
白光LED未来发展前景展望 白光光源性能比较
白光LED未来发展前景展望
各种LED制造方式的优缺点
我国LED行业面临的机遇和挑战
挑战：
LED专利壁垒 形成
行业垄断寡Hale Waihona Puke Baidu头
国内行业主要集中 在下游
机遇： 专利到期格局 生变
研究新材料，绕过 既定专利
国内LED市场需求 巨大
中国主要LED生产厂家
LED蓝光芯片流程
Sapphire 蓝宝石
衬底材料生长
LED结构 芯片加工 MOCVD生
芯片切割
器件封装
长
• MOCVD法生长GaN
LED芯片结构
• MQW=Multi–quantum well （多量子阱）
图形衬底生长GaN
衬底截面
生长GaN截面
GaN表面
采用图形衬底，进一步提高了GaN质量。