LED發光原理
LED是一種半導體發光器件 。LED發光的基本原理是利用載流子在PN結的有源區內發生復合,并釋放能量以光子形式輻射出來。一、什么是PN結LED芯片內部存在一個PN結。在P型半導體中,主要載流子為空穴;在N型半導體中,主要載...
LED是一種半導體發光器件 。LED發光的基本原理是利用載流子在PN結的有源區內發生復合,并釋放能量以光子形式輻射出來。
一、什么是PN結
LED芯片內部存在一個PN結。在P型半導體中,主要載流子為空穴;在N型半導體中,主要載流子為電子。當P型與N型半導體接觸,由于電子和空穴的濃度 gradient,在界面處會發生擴散現象,空穴會擴散入N區,電子會擴散入P區,使接觸面附近形成空乏區。這會在PN結附近形成內建電場,阻止更多載流子的擴散。PN結的形成是實現LED發光的基礎。
二、正向偏壓注入
對PN結施加一個正向外加電壓,可以減小內建電場,降低PN結兩側的勢壘,使得電子可以從N區注入P區,空穴可以從P區注入N區。這時PN結區域形成了所謂的“富集區”或“有源區”,包含大量的負電荷(電子)和正電荷(空穴)。
三、載流子復合與發光原理
在有源區內,注入的電子與空穴會發生復合,電子躍遷至更低的能級,發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體的能隙Eg,因此發光光子的能量就是對應的能隙能量。常見的LED材料的能隙情況如下:
- GaN: Eg = 3.4eV,對應紫外線
- GaAs: Eg = 1.424eV,對應紅光
- GaP: Eg = 2.26eV,對應綠光
- InGaN:可調節1.9eV~3.4eV,對應可見光全范圍
所以,通過選擇不同禁帶寬度的材料,可以設計發射具有不同光子能量、不同顏色的LED。
四、發光效率的影響因素
1. 載流子的注入效率。這依賴于PN結的設計,需要確保能夠有效注入大量載流子。
2. 載流子復合概率。有源區的載流子濃度越高,復合概率就越大。
3. 量子效應。采用量子阱、量子點結構,可以限制載流子運動自由度,增加復合概率。
4. 光提取效率。發光需要將光子從芯片內提取出來,這需要優化芯片的結構設計。
5. 非射性復合概率。非射性復合會產生熱能而非光子,需要尋找高radiative復合比例的材料。
6. 結缺陷密度。結構缺陷會形成中間能級,增加非射性復合概率,需要高質量的外延生長技術。
五、封裝考量
LED芯片發出的光還需要經過導光和透鏡裝置,以提高光提取效率。此外,散熱也十分重要,避免發熱降低發光效率。優化LED的封裝結構對提高最終發光效果也很關鍵。
