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1、1,Ch5 半导体发光二极管 -Light Emitting Diode- -LED-,2,概述 LED、Laser基本结构与特点： 结构：半导体二极管（pn结）； 特点：单色性好， LED:1050nm； Laser:0.010.1nm LED与Laser区别： LED： 自发发射，产生非相干光； Laser：受激发射，产生相干光。 LED与Laser发光机理： 正偏pn结电子与空穴复合，释放光子。,3,可能的辐射复合,一、 辐射复合与非辐射复合过程,1.辐射复合,a.本征复合h Eg b.高能复合h Eg,a,b,# 直接带隙复合: h Eg 间接带隙复合: h Eg+ n,(1)带间复合
2、,(2)杂质与带间复合,f,j,d,e,c.导带受主 d.施主价带 e.施主受主,(3)深能级杂质复合,c,h,俄歇复合,4,(4)激子复合 激子：电子和空穴束缚形成的可在晶体中移动的中性粒子。激子中电子和空穴复合-激子复合。 (5)等电子复合: 等电子：同价原子取代主原子-称为等电子。 等电子中心：原子序数不同，内层电子结构不同，电负性不同。原子序数小的，电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。原子序数大的，易俘获空穴成为正电中心。该中心称为等电子中心。 等电子复合:等电子中心再俘获相反类型载流子形成束缚激子。之后复合发光，称等电子复合。 (6)等分子复合: 等分子：一种分子取代主分子-称为等
3、分子。 等分子复合：若其电子亲和力大，易俘获电子成为负电中心。反之，易俘获空穴成为正电中心。然后再俘获相反类型载流子复合-称等分子复合。,5,2. 非辐射复合 （1）多声子跃迁 电子和空穴复合所放出的能量产生声子，这一过程叫 做子跃迁。声子跃迁的结果，使电子放出的能量转变为 晶格振动能。 （2）俄歇复合 电子和空穴复合时，把多余的能量传给第三个载流子。 获得能量的载流子又会产生多声子过程。这种复合称为俄 歇复合。 另外还存在许多其它的非辐射复合过程。,# 色散: 由于热能,电子能量略高于EC，空穴能量略低于EV， 所以，发射光子能量,6,二、半导体发光二极管,1.基本结构,2.基本工作原理,少
4、子扩散长度,正偏； 非平衡少子辐射复合； 自发辐射； 能量-动量守恒。,7,a.本征型 直接带隙 动量守恒-效率高； 能量守恒 间接带隙 动量不等-效率低。,8,施主-受主（几个晶格距离）： 激子： 等电子中心- 等分子中心-,b.非本征型,9,3.发光效率 内量子效率：,外量子效率：,10,4、影响发光效率因素,1）LED材料吸收 2）菲涅耳（fresnel）损耗 光子从一种介质入射另一种介质，因折射率不同而 部分光子被反射回，称菲涅耳损耗。 3）斯涅耳（snell）损耗 光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时， 若入射角大于其临界角C ，则，入射光从界面全 反射回原介质。,11,3）菲
5、涅耳（fresnel）损耗,GaAs: C= 16；GaP: C= 17,1）LED材料吸收 h Eg（衬底、表面）-吸收。 GaAs吸收85%，GaP吸收25%,2）斯涅耳（snell）损耗,12,5、考虑效率的LED结构 1）抗反射膜 垂直入射光菲涅尔反射系数,13,2）异质结LED,P型1017,n型1017,降低吸收,1017,1018,1016,1017,14,3）封装外形与效率,15,7、光纤通信LED,8、侧光高强度LED,16,9、白光LED 1）多基色 2）单色LED覆盖色彩转换材料 如荧光材料、有机染料、半导体材料等，吸收原色后发 出宽谱。 3）蓝光LED覆盖黄色磷，蓝光与
6、磷产生的黄光合成白光。,13,17,10、发光二极管主要材料,可见光：4000 7600 ；Eg:1.8 2.9eV,18,1、GaAs1-xPx（ GaAs+ GaP）-红、橙、黄、绿，亮度较低 x 0.450.5转化为间接带隙，效率降低 措施：GaAs1-x（Px）1-y：Ny引入等电子中心 机理：等电子中心复合能级接近导带底。 电子波函数在空间高度局域化，基于测不准原理，波函数动量 在k空间可有较大的范围，动量的变化量被等电子杂质吸收。,19,2、(AlxGa1-x)yIn1-yP -红、橙、黄，高亮度 x 0. 53转换为间接带隙； 常用作双异质结LED有源区材料，长波长小较低， 0.45转换为间接带隙；与GaAs晶格匹配,20,1、基本结构、原理与物理机制； 2、影响内外发光效率因素； 3、增强发光效率的主要技术措施。,