【48812】半导体发光二极管的基本原理

  自发性（Spontaneous）的发光是由于电子与空穴的复合而发生的。一般的，多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为资料。图1示出的是Ⅲ- Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙（Bandgap）与晶格常数（Lattice Constant）的联系。由图可知，这些资料的发光规模由红光到紫外线，现在红光的资料首要有AlGaInP，而蓝绿光及紫外线的首要资料则有 AlGaInN。尽管Ⅱ-Ⅵ族资料也可以取得红光和绿光，可是这族资料极为不稳定，所以现在运用的发光资料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。

  发光功率与资料是不是为直接带隙（Direct Bandgap）有关，图2(a)是直接带隙资料，包含GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等，这些资料的导带最低点与价带最高点在同一K空间。所以电子与空穴可以轻松又有效地再复合（Recombination）而发光。而图2(b)的资料均是直接带隙（Indirect Bandgap），其带隙即导带最低点与价带最高点不在同一K空间，致使电子与空穴复合时除了发光外，还需求声子（Phonon）的协作，所以发光功率低。现在发光二极管用的都是直接带隙的资料。

  在直接带隙资猜中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（Radiative Transition）有多种可能性，如图3所示。图3（a）是带间复合，图3(b)是自在激子(Exciton)彼此抵消，图3(c)是在能带势能动摇区域低势能区部分捆绑激子的再复合。图3(a)及(b)是一般AlGaInP红光LED发生光的原理，而图3(c)则是AlGaInN的蓝光及绿光LED发生光的原理。{{分页}}

  上述的“复合”是由于自身内部（Intrinsic）发生的，可是假定将杂质（Impurity）掺入半导体，则会在带隙中发生施主（Donor）及受主（Acceptor）的能级，因而又可能会发生不同的复合而宣布光如图4所示。图4(a)是受主与导带复合，图4(b)是施主与价带复合，图4(c)是施主与受主的再复合，图4(d)是激子再复合。

  当电子与空穴复合而发生光时，这些光被称为自发辐射（Spontaneous Emission），其光的方向如图5(a)所示，是多方向的，这是发光二极管的发光特性。可是，假如宣布的光是激起辐射（Stimulated）的，如图5(b)所示其方向共同，则此种元件被称为半导体激光二极管（LD：Laser Diode）。现在要得到高功率LED便是要得到十分高的自发辐射。

  图6所示为发光二极管pn结（Junction）的能带结构，p型半导体是掺杂了受主杂质，而n型则是掺杂了施主杂质，将两种资料放在一同即得到pn结。 n型半导体中发生电子，p型半导体中发生空穴，在其间心发生耗尽层（Depletion Layer）。当正向偏压(Forward Bias)加在pn结时，剩余的载流子（Carrier）会经过耗尽至而浸透至对方。图6所示的是pn结能带，其间，图6(a)表明在平衡状况，图6 (b)表明在正向偏压时，图6(c)表明在注入高密度电流时的电子与空穴复合发生光的状况，至于不发光的复合，则有经过禁带中心深能级（Deep Trap Center）的复合以及在晶体中发生的热能丢失。{{分页}}

  一切的发光元件都需求具有高的内部量子功率（Internal Quantum Efficiency），即发生的光子（Photon）与进入pn结内的载流子之比，一起也要有高的外部量子功率（External Quantum Efficiency），即发生的发光光子数目与跳过pn结的载流子数目之比，外部量子功率比内部量子功率低，原因之一是有些光在资料外表辐射之前被吸收，并且光抵达外表时只要低于临界角（Critical Angle）的光才干辐射。

  要得到高的内部量子功率，一部分与结构有关，简略的pn结用同质结构（Homo-Structure）不易得到高功率，由于pn结资料间折射率之差低，光的阈值也低，其成果如图7(a)所示。用图7(b)所示的双异质结构（DH：Double-Hetero Structure），能大大的提高功率。在双异质结构中，pn结资料与中心活性层（Active Region）的资料不同，带隙较高，可以取得较高的折射率之差，所辐射的光不光强并且半高宽较窄，如图7(b)所示，所以此种结构已彻底替代同质结构。

  现在，LED的活性层也采用了半导体激光器所用的量子阱(Quantum Well)结构，图8所示是量子阱能带图。当活性层的厚度减小到与德布罗意（de Broglie）波长附近时，量子力学现象呈现，这些薄的活性层便是量子阱，量子阱的数目可所以一个到数十个，量子阱的带隙是不接连的（Discrete），也是别离的。用量子阱可以取得小的临界电流（Threshold Current），一起量子阱的资料能改动晶格不匹配以发生压缩性或许蔓延性应变（Strain），这些应变能改动波长并削减临界电流。

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