半导体发光二极管(LED)

半导体发光二极管(LED)是在半导体p-n结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。由于它发射准单色光、尺寸小、寿命长和廉价，因此被广泛用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源等领域。

一、发光二极管的发光机理

1.p-n结电子注入发光

　　图1、图2表示p-n结未知电压是构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。

　　发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg。如Eg的单位为电子伏（eV）,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Eg=hv/q=hc/(λq)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　λ=hc/(qEg)=1240/Eg (nm)
半导体可分为置接带隙和间接带隙两种，发光二极管大都采用直接带隙材料，这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接带隙材料，其效率就低一些。下表列举了常用半导体材料及其发射的光波波长等参数。

3．异质结注入发光

　　为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图4表示未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的势垒。图5表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空垒的势垒小得多，而且空穴不断从P区向n区扩散，得到高的注入效率。N区的电子注入P区的速率却较小。这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。由于p取得能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。

　　发光二极管与半导体二极管同样加正向电压，但效果不同。发光二极管把注入的载流子转变成光子，辐射出光。一般半导体二极管注入的载流子构成正向电流。应严格加以区别。

二、发光二极管的特性

1． 效率
　　发光二极管的效率可以用电光源的常用术语来表征，即对红外光采用辐射效率ηe,对可见光则用发光效率ηl.但是也有用内量子效率ηqi和外量子效率ηqe来表征的；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　ηqi=NT/G

　　公式中NT为辐射复合产生光子的效率，G为注入的电子空穴对书。这样ηqi等于注入每个电子空穴对在半导体内所发生的光子数，最高可接近100%。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ηqe=NT/G

　　公式中，NT为从发光二极管输出光子的效率。这样qei等于注入每个电子空穴对所产生的输出器件外的有效光子数，一般只有0.01----13%。发射红外的ηqe可达15%，而绿光ηqe,下降到1%以下。
使外量子效率显著下降的主要原因是半导体本身的吸收，是光从半导体射入空气时的反射损失和全反射损失造成的。例如GaAs的折射率n=3.6，反射损失为32%，用图6所示结构的全反射损失为96%，出射的光只有百分之几。采用图7的结构，全反射损失大为减少。目前常用透明树脂替代图7的球型部分，以降低成本。

2． 光的光谱分布

　　对大多数半导体材料来说，由于折射率较大，在光逸出半导体之前，往往以经过多次反射，由于短波光比长波光易于吸收，所以峰值波长所对应的光子能量比带隙Eg小些。例如，GaAs发射的峰值波长所对应的光子能量为1.1eV，比室温下的带隙Eg小0.3eV。改变GaAs1-xPx中的x值，峰值波长在620---680nm范围内变化。谱线半宽度为200-300A。由此可知，发光二极管提供的是半宽度很大的单色光。
　　由于半导体的能隙温度的上升而减小，因此它所发射的峰波长随温度的上升而增长，温度系数约为2-3A/°C。
3.发光强度分布
　　一种在GaP基片上生成GaAsP的发光二极管的发光分布温度如图8所示，谱线宽度为400A，发射的角度宽度约为22°，500μW/sr。总之，发光二极管的幅通量是集中在一定角度内发射出去的。

4．光出射度
　　图9表明几种半导体P-N结发射的光出射度与输入电流的关系。可见，GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs，半导体发光管具有良好的线性，其他两种则相当差。图10表明发光二极管输出的光通量强烈地依赖环境温度，使用时必须加以考虑。

5．响应时间

　　发光二极管的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似的成指数地衰减。直接跃迁的材料如(GaAs1-xPx)的响应时间仅几个ns，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间则是100ns。
　　发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫。这种直接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中得到应用。

6．寿命

　　发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞争的。发光二极管的亮度随着工作时间的加长而衰退，这就是老化。老化的快慢与电流密度j和老化时间常数r有关。
　　目前限于工艺水平，发光二极管发射的幅通量（功率）只有微瓦、毫瓦级，几十毫瓦的已很少见。随着大功率器件的出现，其应用的领域将会日益扩大。

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