LED发光原理及牲PPT幻灯片课件
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第二章 LED的发光原理
及特牲
1
• 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
2
3
• 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。 • 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。
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）。
IF 正向电流
正 向 工 作 区
0
死区电压
23
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
24
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0管电应I.：6正流根·I它常值据。 最电穿一料开 电 欧 大大压般损正 的 下 在 压 般 作 高Ga不 1I反势散但外参为的启流，姆反 。 在坏1R.向工得IV在电时<-反运向垒是电与0x8同1不FF电，开导A。向超-，=在V0漏 电 ， 场 导向动l2工作到压，Iμ，而2G同通压电始x反电过VF，电 场 当 的 电 击aA01=A以NG有作电的VVs以而特：压发m.3压此向穿所： 方 反 作 ，a大FF为上A55在将下P些当 向 向 用 因 现以异电压。电一光性值击V0时～（1致反R即只加 相 电 下 而 象0差m2下m。压超。，，穿u压是小：绿向是A测2～反 同 压 ， 此有。A可异。G在过开电.时降发电漏所色正很向 ， 加 把 时1在功Va。得84反）.电AF开开启流压光电 便 大 晶 反小向允：V测V。）F5s向给率流，V的。。的压 阻 到 格 向的是随启启点也二许是电（参得I发反时 止 一 中 电G定彩R1点电点 电，功在极因流（加a2实.，了定的流向光数的P.越0V的色以， 压压管材的正率外（0电外多程电突管际=V小V表，F，前很 因增可料加数度子然流反-正L最红 ，值向级界，5E向流电载时强增GV几快 半加中正能而大G色说因）向Da工温L场流，拉大过漏aA一乎就 导迅异被明时反给向EN）xs管与子结出，电电F值作度DL1，没速显 体击，般向为是-流子内的在来出Em出工一xDGP流的有出 材增电升。建扩内，现的ax是P， 以下。单向2导.电5V性。能越好。
4
5
6
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 阴电释极子放射通出常来线以，发光回光的到：形基荧式态光将。灯能量、
• 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。
• 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。
金卤灯
场致发光：无极灯
电致发光：LED
7
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。
8
LED发光原理图
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。
9
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。
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。
780～630 630～600 600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
700 620 580 550 500 470 420
16
• 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。
20
电 学 I-V特性
响应时间
特 允许功耗 性
源自文库21
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。
22
VB
击 穿 区
反向死区
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．
12
光 子 E
14
15
各种颜色光的波长
光色
波长λ（nm)
代表波长
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
17
• 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
18
19
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： （1）电学特性 （2）光学特性 （3）热学特性
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。
10
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
11
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
及特牲
1
• 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
2
3
• 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。 • 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。
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）。
IF 正向电流
正 向 工 作 区
0
死区电压
23
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
24
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0管电应I.：6正流根·I它常值据。 最电穿一料开 电 欧 大大压般损正 的 下 在 压 般 作 高Ga不 1I反势散但外参为的启流，姆反 。 在坏1R.向工得IV在电时<-反运向垒是电与0x8同1不FF电，开导A。向超-，=在V0漏 电 ， 场 导向动l2工作到压，Iμ，而2G同通压电始x反电过VF，电 场 当 的 电 击aA01=A以NG有作电的VVs以而特：压发m.3压此向穿所： 方 反 作 ，a大FF为上A55在将下P些当 向 向 用 因 现以异电压。电一光性值击V0时～（1致反R即只加 相 电 下 而 象0差m2下m。压超。，，穿u压是小：绿向是A测2～反 同 压 ， 此有。A可异。G在过开电.时降发电漏所色正很向 ， 加 把 时1在功Va。得84反）.电AF开开启流压光电 便 大 晶 反小向允：V测V。）F5s向给率流，V的。。的压 阻 到 格 向的是随启启点也二许是电（参得I发反时 止 一 中 电G定彩R1点电点 电，功在极因流（加a2实.，了定的流向光数的P.越0V的色以， 压压管材的正率外（0电外多程电突管际=V小V表，F，前很 因增可料加数度子然流反-正L最红 ，值向级界，5E向流电载时强增GV几快 半加中正能而大G色说因）向Da工温L场流，拉大过漏aA一乎就 导迅异被明时反给向EN）xs管与子结出，电电F值作度DL1，没速显 体击，般向为是-流子内的在来出Em出工一xDGP流的有出 材增电升。建扩内，现的ax是P， 以下。单向2导.电5V性。能越好。
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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 阴电释极子放射通出常来线以，发光回光的到：形基荧式态光将。灯能量、
• 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。
• 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。
金卤灯
场致发光：无极灯
电致发光：LED
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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。
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LED发光原理图
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。
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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。
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。
780～630 630～600 600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
700 620 580 550 500 470 420
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• 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。
20
电 学 I-V特性
响应时间
特 允许功耗 性
源自文库21
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。
22
VB
击 穿 区
反向死区
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．
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光 子 E
14
15
各种颜色光的波长
光色
波长λ（nm)
代表波长
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
17
• 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
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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： （1）电学特性 （2）光学特性 （3）热学特性
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。
10
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
11
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