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第1页/共22页光发射二极管第2页/共22页6.9.1 LED原理LED是light-emitting diode的缩写，在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。第3页/共22页Fig 6.43第4页/共22页最简单的LED的结构：在适当的衬底上（GaAs、GaP）上面生长一层掺杂的半导体层。一般是采用外延方式及接着衬底晶体的结构生长。然后再通过生长出另一层P型掺杂的外延层就形成了pn+节。如果外延层和衬底晶体的晶格参数不匹配，易产生促进无辐射EHP复合过程的晶格缺陷。因此，实现LED外延层与衬底之间的晶格匹配非常重要。例如在GaAs衬底上生长AlGaAs外延层有很好的晶格匹配，可制作高效率的LED芯片。第5页/共22页Fig 6.44第6页/共22页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。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。LED发光可以是直接带隙间的跃迁复合，也可以是通过间接带隙间的复合中心复合。第7页/共22页Fig 6.45第8页/共22页外部效率：表示将电能转化为外部光能的效率。在近日东京的举办的“nano tech 2009国际纳米技术综合展”上，面向新一代照明用LED，东芝展出了正在开发的近紫外LED。其外部量子效率较高，达到了36%。发光波长为380nm。为了提高发光效率，抑制了GaN结晶的缺陷，提高了平坦性。第9页/共22页第10页/共22页6.9.2 异质结高亮度LED异质结【heterojunction】 两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。双异质结结构可以增加LED输出光的强度。如下图中的宽禁带AlGaAs层扮演了将所注入的电子限制在p-GaAs层的限制层的角色。第11页/共22页(a) A double heterostructure diode has two junctions which are between two different bandgap semiconductors (GaAs and AlGaAs). (b) A simplified energy band diagram with exaggerated features. EF must be uniform. (c) Forward biased simplified energy band diagram. (d) Forward biased LED. Schematic illustration of photons escaping reabsorption in the AlGaAs layer and being emitted from the device.Fig 6.46第12页/共22页6.9.3 LED的特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和特有的光学特性：光谱特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。?LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布主要决定于制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式关系较小。第13页/共22页(a) Energy band diagram with possible recombination paths. (b) Energy distribution of electrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2)kT above Ec. (c) The relative light intensity as