LED（Light Emitting Diode）

1、技术原理

LED的亮度效率就如同摩尔定律一样，每24个月提升一倍。以前，白光LED的发光效率只有10~30lm/W，只能用来取代耗电量高的白炽灯、卤素灯。然而，当白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W时，使得荧光灯、高压气体放电灯等高性能灯也开始感受到了性能威胁。值得主要的是，2010年报道了白光LED的光效已经达到了208lm/W，目前只是在实验室阶段，相信LED在以后几年会在有所突破的。LED光效的提高与其技术原理有着很大的关系，所以必选对LED的技术原理有所了解。

1.1发光原理

LED（Light Emitting Diode）就是发光二极管，属于一种固态的半导体器件。它由两个半导体（P型和N型半导体）和中间一个有源层组成。当它两端加上正负电压时，电子开始移动并和空穴（带正电的离子）结合产生辐射光，即直接把电转化为光。其基本工作原理如图1所示。

图1 LED的工作原理

根据图1可见，LED的核心部分是PN结（在P区和N区的交界面形成空间电荷区称PN结），P区带过量的正电荷（通常称“空穴”，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴），N区带过量的负电荷（电子，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子）。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，即电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同顏色的光线，光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色，这是由形成P-N结的材料决定的。

电子和空穴复合可分为二类：一是伴随光辐射的复合：还有一类是不伴随光辐射的复合。前者是由于空穴和电子的复合以光（含紫外光、红外光）的形式辐射能量，这是发光的主要机理，也是发光器件所追求的。而后者复合不伴随光的辐射，这对固体发光器件来说是有害的（因为以热的方式辐射可以使器件的温度升高）。所以对于固体发光器件来说，就是要研究如何增强带有光的辐射形式的复合。因此，研究LED芯片原理及应用的目的，就是当半导体PN结处流过正向电流时，能以较高的能量转换效率来辐射出200~550nm波长范围的可见光谱（包括紫外、红外），从而做成实用的发光器件。

1.2半导体能带理论

半导体的能带分为量子态被电子全填满的价带和量子态未被电子全填满的导带，两者之间的能隙称之为禁带，也称带隙，用Eg表示。半导体的光学跃迁发生在价带顶和导带低附近。辐射电磁波的频率由Eg=hv可求得。在半导体的能带结构中，价带顶的能量位置和导带低的能量位置同处于K空间同一点，即同处在一个布里渊区的中心点。此结构为直接能带半导体结构，价带顶的能量位置和导带低的能量位置不同的能带结构为间接能带半导体结构。电子和空穴的复合过程满足动量守恒定律和能量守恒定律。电子在直接能带结构中的直接跃迁发光不需要声子参加，而间接跃迁过程则需要声子的参与才能满足动量守恒定律，而且间接跃迁复合几率较直接跃迁复合几率小3～4个数量级，所以在制备半导体LED结构时应尽量选取直接能带半导体材料。如GaN和ZnO两种基材料都是直接能带半导体材料。

1.3发光颜色

根据不同的结构和材料，LED的发光颜色也不同。LED的发光颜色由组成的半导体材料决定，通常是采用两种有细微差异的材料构成n区和p区。n

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