半導體發光二極體

簡介

半導體發光二極體的結構公差沒有雷射器那么嚴格，而且無諧振腔。所以，所發出的光不是雷射，而是螢光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區的空穴也將向負方向擴散，進入有源層。進入有源層的電子和空穴由於異質結勢壘的作用，而被封閉在有源層內，就形成了粒子數反轉分布。這些在有源層內粒子數反轉分布的電子，經躍遷與空穴複合時，將產生自發輻射光。

優點

半導體發光二極體的結構簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統中的套用極為普遍。

在正向偏置下，半導體PN結或與其類似的結構能夠發出可見光或近紅外光，這種把電能直接轉換為光能的器件稱為發光二極體，簡稱LED。

發光是物體內部以某種方式儲存的能量轉化為光輻射的過程。發光物體的光輻射是材料中受激發的電子躍遷到基態時產生的。半導體（主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素構成的化合物半導體）發光二極體屬於電流激發的電致發光器件。

電致發光現象發現於1923年，當時並沒有引起人們的注意。隨著近代技術的發展，對發光器件提出了新的要求，希望發光管簡單、可靠、壽命長、價格低、小型化。所以自60年代開始電致發光的研究非常活躍。

發光機理

原子、分子和某些半導體材料，能分別吸收和放出一定波長的光或電磁波。根據固體能帶論，半導體中電子的能量狀態分為價帶和導帶，當電子從一個帶中能態E1躍遷(轉移)到另一帶中的能態E2時，就會發出或吸收一定頻率(υ)的光。υ與能量差(ΔE=E2-E1)成正比，即

υ=ΔE/h (Hz)

此式稱為玻爾條件。式中h=6.626×10-34J·s。當發光二極體工作時，在正偏下，通常半導體的空導帶被通過結向其中注入的電子所占據，這些電子與價帶上的空穴複合，放射出光子，這就產生了光。發射的光子能量近似為特定半導體的導帶與價帶之間的帶隙能量。這種自然發射過程叫作自發輻射複合（圖1）。顯然，輻射躍遷是複合發光的基礎。注入電子的複合也可能是不發光的，即非輻射複合。在非輻射複合的情況下，導帶電子失去的能量可以變成多個聲子，使晶體發熱，這種過程稱為多聲子躍遷；也可以和價帶空穴複合，把能量交給導帶中的另一個電子，使其處於高能態，再通過熱平衡過程把多餘的能量交給晶格，這種過程稱為俄歇複合。隨著電子濃度的提高，這種過程將變得更加重要。帶間躍遷時，輻射複合和非輻射複合的兩種過程相互競爭。有的發光材料表現為輻射複合占優勢。