LED發(fā)光原理
LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件 。LED發(fā)光的基本原理是利用載流子在PN結(jié)的有源區(qū)內(nèi)發(fā)生復(fù)合,并釋放能量以光子形式輻射出來。一、什么是PN結(jié)LED芯片內(nèi)部存在一個(gè)PN結(jié)。在P型半導(dǎo)體中,主要載流子為空穴;在N型半導(dǎo)體中,主要載...
LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件 。LED發(fā)光的基本原理是利用載流子在PN結(jié)的有源區(qū)內(nèi)發(fā)生復(fù)合,并釋放能量以光子形式輻射出來。
一、什么是PN結(jié)
LED芯片內(nèi)部存在一個(gè)PN結(jié)。在P型半導(dǎo)體中,主要載流子為空穴;在N型半導(dǎo)體中,主要載流子為電子。當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體接觸,由于電子和空穴的濃度 gradient,在界面處會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象,空穴會(huì)擴(kuò)散入N區(qū),電子會(huì)擴(kuò)散入P區(qū),使接觸面附近形成空乏區(qū)。這會(huì)在PN結(jié)附近形成內(nèi)建電場(chǎng),阻止更多載流子的擴(kuò)散。PN結(jié)的形成是實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光的基礎(chǔ)。
二、正向偏壓注入
對(duì)PN結(jié)施加一個(gè)正向外加電壓,可以減小內(nèi)建電場(chǎng),降低PN結(jié)兩側(cè)的勢(shì)壘,使得電子可以從N區(qū)注入P區(qū),空穴可以從P區(qū)注入N區(qū)。這時(shí)PN結(jié)區(qū)域形成了所謂的“富集區(qū)”或“有源區(qū)”,包含大量的負(fù)電荷(電子)和正電荷(空穴)。
三、載流子復(fù)合與發(fā)光原理
在有源區(qū)內(nèi),注入的電子與空穴會(huì)發(fā)生復(fù)合,電子躍遷至更低的能級(jí),發(fā)射出能量等于電子躍遷能量差的光子。該躍遷能量恰等于半導(dǎo)體的能隙Eg,因此發(fā)光光子的能量就是對(duì)應(yīng)的能隙能量。常見的LED材料的能隙情況如下:
- GaN: Eg = 3.4eV,對(duì)應(yīng)紫外線
- GaAs: Eg = 1.424eV,對(duì)應(yīng)紅光
- GaP: Eg = 2.26eV,對(duì)應(yīng)綠光
- InGaN:可調(diào)節(jié)1.9eV~3.4eV,對(duì)應(yīng)可見光全范圍
所以,通過選擇不同禁帶寬度的材料,可以設(shè)計(jì)發(fā)射具有不同光子能量、不同顏色的LED。
四、發(fā)光效率的影響因素
1. 載流子的注入效率。這依賴于PN結(jié)的設(shè)計(jì),需要確保能夠有效注入大量載流子。
2. 載流子復(fù)合概率。有源區(qū)的載流子濃度越高,復(fù)合概率就越大。
3. 量子效應(yīng)。采用量子阱、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu),可以限制載流子運(yùn)動(dòng)自由度,增加復(fù)合概率。
4. 光提取效率。發(fā)光需要將光子從芯片內(nèi)提取出來,這需要優(yōu)化芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5. 非射性復(fù)合概率。非射性復(fù)合會(huì)產(chǎn)生熱能而非光子,需要尋找高radiative復(fù)合比例的材料。
6. 結(jié)缺陷密度。結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)形成中間能級(jí),增加非射性復(fù)合概率,需要高質(zhì)量的外延生長(zhǎng)技術(shù)。
五、封裝考量
LED芯片發(fā)出的光還需要經(jīng)過導(dǎo)光和透鏡裝置,以提高光提取效率。此外,散熱也十分重要,避免發(fā)熱降低發(fā)光效率。優(yōu)化LED的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)提高最終發(fā)光效果也很關(guān)鍵。
