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发光二极管PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion、定义：发光二极管（LED）是一种固态发光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的注入式电致发光。2、特点：B高，室温下，全色LED大屏幕，5000－10000cd/m2工作电压低，1－5V，可与Si逻辑电路匹配响应速度快，10－7－10－9s彩色丰富，已研制出红绿蓝和黄橙的LED尺寸小，寿命长（十万小时）视角宽，96年，达80度；97年，达140度PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion、缺点：电流较大，对七段式LED数码管，10mA/段功耗大，装配大型矩阵屏时散热问题突出4、简史1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入式电致发光60年代末，LED得到迅速发展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料隙得到橙、黄、绿的LED80年代，蓝光的LED研制出来，用宽带隙n型或半绝缘的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基势垒形成PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion:NGaAsPGaAsPGaAsPAlInGaPAlInGaPAlInGaPGaAIAs(DH)PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion’smigrateacrossp/njunction.holes~104V/cmelectricfieldatjunctionlimitssizeofdepletionregionPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion的物理基础复合理论一.载流子的激发•半导体中的发光是原子能态之间辐射跃迁的结果。辐射复合速率是由高能态的电子密度、空着的低能态密度以及这两种能态之间的跃迁几率三者乘积决定的。因为半导体中相邻原子的间隔小（～5Å），它们的轨道电子的波函数相互作用，因此形成允许的能带而不足形成分离的能级（如在孤立的原子中），发光产生与带间的跃迁，因此不是单色的，而是扩展遍及一般为几百Å宽的波长间距PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion半导体中发光是产生浓度超过热平衡值的电子和空穴的复合激发载流子的方式有四种：（1）光致发光：是由能量大于半导体能带间隙的入射光吸收产生少数载流子的过程。它在研究半导体材料时常用（2）阴极的射线发光：剩余载流子的产生是由高能电子电离的电子空穴队而来的。每一个入射的电子产生的电子空穴对数目是非常大的（对于一个10kev的电子，其典型数为103）PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion（3）放射线发光：由各种高能粒子轰击发光物体产生电子空穴对而引起发光（4）电致发光：它是由于外加电场而产生少数载流子的过程利用这种现象制成的器件有LED、LD、EL等二、复合过程电子空穴对一旦由上面提到的某种激发过程产生，电子将回到它的较低能量的平衡态并与空穴复合。这种复合能够通过两种途径发生：辐射复合，非辐射复合PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion辐射复合辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间能级来产生；这些缺陷或杂质就叫做发光中心。按电子跃迁的方式可把辐射分成两种带间复合带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合，产生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion等，由于价带极大与导带极小对应于同一位置（零动量位置）这种半导体材料的能带称为直接带隙半导体能带，也即是说，在直接带隙半导体的电子能量E（k)与波数K关系曲线中，导带极小与价带极大具有相同的K值，电子与空穴在这种材料中的复合为二体过程，辐射效率不高。如果半导体材料的E（k)~K曲线中，导带极小与价带极大对应于不同的K值，称为间接带隙半导体能带。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion带间复合必需涉及一个第三者的粒子以保持动量守恒。声子（晶格振动)就是这里的第三者。但是这种三粒子过程中电子－空穴复合的几率比直接带隙材料中小2～3个数量级，Si、Ge、GaP等都属于间接带隙，这类材料将两种带间复合的能带示于下图PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion（k）hυ＝Eg直接带隙半导体能带两种带间复合PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion电子吸收光子的跃迁过程必须满足能量和动量守恒，电子在跃迁过程中波矢保持不变(在波矢k空间必须位于同一垂线上）è直接跃迁直接跃迁和间接跃迁常见半导体GaAs就属于此类：直接带隙半导体直接跃迁中吸收系数α和光子能量的关系为gggEhEhAEhh≥-=nnnna21)(0{)(（A为一基本常数）PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion（k）hυ＝Eg－Ep间接带隙半导体能带hυ＝Eg＋EpEgPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion间接跃迁：动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒.光吸收系数（1-103cm-1）比直接跃迁（104-106cm-1)小得多。Si：间接带隙半导体PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion非间接复合施主和受主杂质不仅决定于材料的导电类型和电阻率，而且当杂质是发光中心时，它们还支配着辐射复合过程，杂质取代晶体内部的基质原子，其位置不规则，因而委形成周期性排列。杂质能级在动量空间扩展开，特别是出现在K＝0处，（说明杂质能级于半导体的价带顶或导带低具有相同的动量）。这说明为何含有杂质能级的跃迁能如此有效，复合的辐射部分可以发生在从导带到受主或从施主到价带，跃迁更经常发生在施主和受主能态之间，因为它们分别单独为电子和空穴提供低能态。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion在半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaP中，选用特定的杂质通常是从Ⅵ族施主Te、Se、和S，以及从Ⅱ族受主Zn、Cd和Mg当中进行挑选。这种半导体材料（GaP）在常温下通过激子(是指电子处于激发状态但不能自由行动，被空穴所产生的库仑场俘获的原子或分子)来进行非间带复合跃迁。如果在Ⅲ-Ⅴ族化合物中选用与基质晶体同样电子结构的元素搀杂，使之置换基质晶体元素的晶格点，由于它与基质晶体元素的电子亲和力不同，而对电子或空穴产生吸引作用，这样的势阱叫做等电子势阱，这种材料是通过等电子势阱来进行带间复合跃迁。如GaP中搀N，N置换P，因为N和P为同一族，置换后呈电中性，由于N比P对电子的亲和力大，会俘获电子，其后又以库仑场俘获空穴，因此N也称为等电子受主。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion对于各种特定的搀杂剂和半导体的组合，最佳的杂质浓度通常是以高效发光为目的的经验来决定。一般情况下，杂质浓度不能太小，因为：注入少数载流子的复合几率直接正比于将要与之复合的多数载流子的浓度（即发光中心浓度）较高的串联电阻是由于低的载流子浓度的缘故，在大电流下，能引起过多的发热和大的电压降。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion另一方面，杂质浓度不能太大，由于“浓度悴灭”，在浓度接近杂质溶解度极限时会引起诸如沉淀和金属络合物等冶金学缺陷，使半导体根本不会发光，因此浓度不能太大。对于所搀施主杂质，浓度范围为1017～1018个cm－3，受主杂质在1018～1019个cm－3PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion、非辐射复合电子与空穴的复合为非辐射性时，则不发光，在半导体材料中最主要的非辐射复合过程有两种：通过缺陷或杂质中心的复合内部量子辐射复合就是在那里发生缺陷（以及Fe、Cu一类的污染）引起的，深复合中心并跟着发生红外发射或非辐射复合。这是由于杂质在表面处有一能态的连续区（或准连续区）可以把导带和价带连接起来，在表面态处的复合由声子发射耗散掉多余的能量PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion通过俄歇效应的非辐射复合俄歇电子发射是下图所示的一个过程。VacM等L2,3L1KEFφ初始态0EPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion*2,3L1KEFφ终态M等L*2,3L1EFVacKφ激发与发射EpEkPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion、2、2p-n结注入式电致发光机理（结型电致发光）按照半导体材料不同形成的p-n结来进行电致发光的情况，可分为两类：同质p-n结注入式电致发光异质p-n结注入式电致发光PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion一、同质p-n结注入电致发光Atthejunction,freeelectronsfromtheN-typematerialfillholesfromtheP-typematerial.Thiscreatesaninsulatinglayerinthemiddleofthediodecalledthedepletionzone.PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion