发光二极管发光原理及特性

发光二极管( LED)的发光原理及特性

半导体材料

为了方面讨论方便起见，我们先复爿螳有关半导体材料的知识。大家知道，我们周围的一切物质按照导电能力的大小可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。能导电的叫导体；不能导电的叫绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的叫半导体，半导体的电导率在厘米之间。

半导体之所以有泛的用途，足因为它的导电性能具有以r两个显著的特点。和纯净的半导体内掺人不同类型的杂质，可以彤成导电类型不同的半导体。例如掺杂价的施主杂质，得到型半导体；掺杂价的受土杂质，贴片钽电容得到型半导体。型材料中参与导电的载流子为电子，在型材料中参与导电的载流子为卒穴。半导体电阻率的变化受杂质含量多少的影响很大，例如半导体硅只要含有亿分之一的硼，其电阻率就会下降到原来的千分之一。

一般地，半导体材料必须先提纯，然后通过严格控制的掺杂，加入不同类型前杂质，才能制作出合格的中导体器件。

半导体的许多电参数受外界条件的影响很大。例如当温度升高或受光照射后，它的性能将发生改变，电阻率下降，T491C476K006AT势垒降低。

半导体材料的种类很多，按其化学成分的不同，呵以分为元素半导体和化合物半导体两人类。1元素半导体仅由单一元素组成的半导体材料，称为元素半导体。元素半导体在元素周期表中的位置.震中用粗线围起来的元素组成的物质都可以算作兀素半导体。2 L珏皿驱动芯尸T住厦理与电路设元素半导体仅由一种元素组成。日前品常用的、最典型的兀素半导体仃锗、硅和硒，它们的制作I艺成熟、应用广泛、贴片钽电容产最高。半导体业中有着广泛的应用。早期的半导体器件人多是用锗制成的，这和对它的研究较早、制作较易，艺成熟有戈。锗的缺点是禁带宽度E.较小为0.75eV，不适宜制作大功率器件；其次，锗的表面不像硅那样容易形成一层既可保护体内，又可利用光刻实现杂质选择扩散的_氧化硅层；最后，锗是一种稀有元素，蟓材料稀缺，所以今天矿逐步被硅所取代。

硅：与锗相比，硅的熔点为1 420'C，比锗、南，其禁特宽度最比锗大，为载流于迁移率比锗低。作为半导体材料，KEMET钽电容硅有许多优点：禁带宽度人，适宜做耐高温、耐辐射的器件，硅器件的温度稳定性比锚器什的要高；其次，硅的表面容易生成一层二氧化硅膜，叮以有效保护器件的内部结构，同时又可阻挡杂质的侵入，从而为应用外短艺做硅下面晶体管和集成电路创造了有利条件。

硒：占足-种光电半导体材料，既可以制造整流器和太阳能电池，又叫用在干印装置和摄像机中。由于硒是一种稀有物质，加之同响的缺点，所以日前应用不是很广。

化合物半导体化赍物半导体由两种或两种以上的物质化台而成，它的特点是材料品种繁多，成分和结构复杂，制作单晶相对比较困难。贴片钽电容化台物半导体是前半导体材料研究的重点，发展出很快。它是制作LED的重要基石，制造LED时要用到各式各样的化合物半导体。

制造LED和制造平面晶体管、集成电路一样，旨先需要生成衬底（或称基片），然后在衬底-利用外延方法（例如液相外延、气相外延、分子束外延或金属有机物化学气相淀积外延等）制成PN结，再经过芯片制造、封装等工艺，最肝制成一个合格的LED。LED的衬底材料和外延材料都要用到化合物半导体。

对于LED衬底所用的材料，要求其结构特性好（即与外延材料的品格结构相近），界面特陆好，有利丁外延材料牛K等。日前LED的衬底材料有：监宝石(Al2。。)、碳化硅、硅、氯化镓、砷化镓等。

在制戒衬底以后，耍在衬底r外延生成PN结，这是制造LED的项重要T艺过程。外蜓材料村底材料可以相同（称为同质外延），也r叮以不同（称为异质外延）。它是LED的核心

材料，决定LED的发光波长、亮度、发光效率、功率等。一般外延层所用的材料大都是V 族化合物半导体。制作的外延材料必须满足以下的出要求。

要有足够宽的禁带宽度E。由r LED的PN结在通过电流时发出的光的波长础决于PN结材料的禁带宽度B，两者之间的关系可以表示为,1 240/E。。为了发出可见光（波长的范匿为380—780nm），要求半导件材料的禁带宽度1.75eV;如要发出波长较短的蓝光或紫外光，LED 外延材料的丘值还要更大些，应犬于3eV。一般兀素半导体是不能满足这个要求的，这也是普通山锗或硅半导体制成的PN结在止向偏置下不能发光的原因。一般的化台物半导体都具有比兀素半导体更宽的禁带宽度；同时，在确定了LED的发光波长后，还叫以通过调节多元半导体材料的组分配比来控制它的禁带宽度丘值，例如对于铝铟镓磷材料，町以通过选择合适的组分配比来控制它的禁带宽度，进而改变它的发光颜色，使它的颜色由黄色变为深红，得到红、黄、绿等不同颜色。

鉴于上面提到这毡原洲，找们在制作LED时，必须选择化台物半导体做外延材料。发光极管LED的发光原理厦特生。

能够制作高电导率的P型、咀半导体晶体，KEMET钽电容以获得良好的PN结。晶体必颁有足够的电导牢才一，以提供高发光效率所需婴的电子一空穴列，为此，掺杂浓度应水低下cm3。为减小止向串联电阻，应堪量选用戡流予迁移率岛的材料，采用良好的外延T岂5t适的掺杂材料，以及选择正确的掺杂浓度和温度。

能够乍成没有晶格缺陷和质的晶体。晶格缺陷和庙会形成非发光复合中心，从而聋低LED发光的内吐了娥枣和总发光效丰。摔制外延晶体的质量的愫有很多，如衬底材料、晶体的外延牛长工岂和力法等。

发光复合牢人。T491D476K006AT于发光复合率直接影响发圯效率，所前高亮度LED和超纳亮度LED大都采崩县有较大的发光复合率的阿接跃迁（政称商接带隙型）半导体材料来制造，从得到较苛晌发光效率。

根据以上这些要求，LED外蜓所用的材料九都是ⅢV族化台物半导体，例如砷化镓、磷化镓、镓铝舯、铝钢镓磷、钒钢镓氯，其他的还肯Ⅳ族化台物碳化硅成V Vi族化台物硒化砷等。dycsm%ddz