【正文】 態(tài)。 當(dāng)外加電場正端接 P區(qū)負(fù)端接 N區(qū)與內(nèi)電場方向相反時(shí)，電子被迫從 N區(qū)向 P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng) 足夠數(shù)量的電子能級(jí)上升到導(dǎo)帶能級(jí) ，它們的電子能級(jí)就 超過了勢壘能級(jí) ，電子流過 PN結(jié)進(jìn)入 P 區(qū)。216。 此時(shí)價(jià)帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。216。 來自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價(jià)帶時(shí)，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn) 生出光子 。這種過程稱為復(fù)合。 在 理想 情況下， 能量完全以光子的形式釋放出來 。如果這一過程自發(fā)地發(fā)生，則所發(fā)生出的光子能量近似地 等于 帶隙的能量 Eg，所產(chǎn)生的光子在許多隨機(jī)的方向上進(jìn)行。n 激發(fā) 載流子的方式有四種：（ 1） 光致發(fā)光 ：是由能量大于半導(dǎo)體能帶間隙的入射光吸收產(chǎn)生少數(shù)載流子的過程。它在研究半導(dǎo)體材料時(shí)常用（ 2） 陰極的射線發(fā)光 ：剩余載流子的產(chǎn)生是由高能電子電離的電子空穴隊(duì)而來的。每一個(gè)入射的電子產(chǎn)生的 電子空穴對(duì)數(shù)目是非常大 的（對(duì)于一個(gè) 10kev的電子，其典型數(shù)為 103）（ 3） 放射線發(fā)光 ：由各種高能粒子轟擊發(fā)光物體產(chǎn)生電子空穴對(duì)而引起發(fā)光（ 4）電致發(fā)光：它是由于外加電場而產(chǎn)生少數(shù)載流子的過程利用這種現(xiàn)象制成的器件有 LED、 LD。n 復(fù)合過程電子空穴對(duì)一旦由上面提到的某種激發(fā)過程產(chǎn)生，電子將回到它的較低能量的平衡態(tài)并與空穴復(fù)合。這種復(fù)合能夠通過兩種途徑發(fā)生： 輻射復(fù)合 ， 非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合輻射復(fù)合可直接由帶間電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生，也可通過由晶體自身的缺陷、摻入的雜質(zhì)和雜質(zhì)的聚合物所形成的中間能級(jí)來產(chǎn)生；這些缺陷或雜質(zhì)就叫做 發(fā)光中心 。按電子躍遷的方式可把輻射分成兩種。（ 1）帶間復(fù)合帶間復(fù)合是指導(dǎo)帶中的電子直接與價(jià)帶中空穴復(fù)合，產(chǎn)生的光子能量易接近等于半導(dǎo)體材料的 禁帶寬度 。 n 半導(dǎo)體材料如 GaAs,Inp等，由于價(jià)帶極大與導(dǎo)帶極小對(duì)應(yīng)于同一位置（零動(dòng)量位置）這種半導(dǎo)體材料的能帶稱為直接帶隙半導(dǎo)體能帶，也即是說，在直接帶隙半導(dǎo)體的電子 能量 E（ k)與 波數(shù) K關(guān)系曲線中， 導(dǎo)帶極小 與 價(jià)帶極大 具有 相同的 K值，電子與空穴在這種材料中的復(fù)合為二體過程，輻射效率不高。n 如果半導(dǎo)體材料的 E（ k)~K曲線中，導(dǎo)帶極小 與 價(jià)帶極大對(duì)應(yīng)于不同的 K值，稱為 間接帶隙半導(dǎo)體能帶 。帶間復(fù)合必需涉及一個(gè)第三者的粒子以保持動(dòng)量守恒。 聲子（晶格振動(dòng) )就是這里的第三者 。但是這種三粒子過程中電子－空穴復(fù)合的幾率比 直接帶隙材料中小 2～ 3個(gè)數(shù)量級(jí) ， Si、 Ge、 GaP等都屬于間接帶隙。EgKE（ k）hυ＝ Eg 直接帶隙半導(dǎo)體能帶 兩種帶間復(fù)合電子吸收光子的躍遷過程必須滿足能量和動(dòng)量守恒，電子在躍遷過程中波矢保持不變 (在波矢 k空間必須位于同一垂線上） ?直接躍遷直接躍遷和間接躍遷常見半導(dǎo)體 GaAs就屬于此類：直接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷中吸收系數(shù) α 和光子能量的關(guān)系為（ A為一基本常數(shù)）KE（ k）hυ＝ Eg － Ep間接帶隙半導(dǎo)體能帶hυ＝ Eg＋ Ep Eg間接躍遷 ： 動(dòng)量不守恒，電子不僅吸收光子，同時(shí)還和晶格交換一定的振動(dòng)能量，即放出或吸收一個(gè)聲子從而達(dá)到動(dòng)量守恒 . 光吸收系數(shù)（ 1103 cm1） 比直接躍遷（ 104 106 cm1 ) 小得多。Si： 間接帶隙 半導(dǎo)體（ 2）非間接復(fù)合施主和受主雜質(zhì)不僅決定于材料的導(dǎo)電類型和電阻率，而且當(dāng)雜質(zhì)是發(fā)光中心時(shí)，它們還支配著輻射復(fù)合過程，雜質(zhì)取代晶體內(nèi)部的基質(zhì)原子，其位置不規(guī)則，因而形成周期性排列。雜質(zhì)能級(jí)在動(dòng)量空間擴(kuò)展開，特別是出現(xiàn)在 K＝ 0處，（說明雜質(zhì)能級(jí)于半導(dǎo)體的價(jià)帶頂或?qū)У途哂邢嗤膭?dòng)量）。這說明為何含有雜質(zhì)能級(jí)的躍遷能如此有效，復(fù)合的輻射部分可以發(fā)生在從導(dǎo)帶到受主或從施主到價(jià)帶，躍遷更經(jīng)常發(fā)生在施主和受主能態(tài)之間，因?yàn)樗鼈兎謩e單獨(dú)為電子和空穴提供低能態(tài)。對(duì)于各種特定的攙雜劑和半導(dǎo)體的組合，最佳的雜質(zhì)濃度通常是以高效發(fā)光為目的的經(jīng)驗(yàn)來決定。一般情況下，雜質(zhì)濃度不能太小，因?yàn)椋簄 注入少數(shù)載流子的復(fù)合幾率直接 正比 于將要與之復(fù)合的多數(shù)載流子的濃度（即發(fā)光中心濃度）n 較高的串聯(lián)電阻是由于低的載流子濃度的緣故，在 大電流下，能引起過多的發(fā)熱和大的電壓降 。另一方面，雜質(zhì)濃度不能太大，由于 “濃度悴滅 ”，在濃度接近雜質(zhì)溶解度極限時(shí)會(huì)引起諸如沉淀和 金屬絡(luò)合物 等冶金學(xué)缺陷，使半導(dǎo)體根本不會(huì)發(fā)光，因此 濃度不能太大。對(duì)于所攙施主雜質(zhì)，濃度范圍為 1017～1018個(gè) cm－ 3， 受主雜質(zhì)在 1018～ 1019個(gè)cm－ 3非輻射復(fù)合電子與空穴的復(fù)合為非輻射性時(shí)， 則不發(fā)光， 在半導(dǎo)體材料中最主要的非輻射復(fù)合通過 缺陷或雜質(zhì)中心的復(fù)合內(nèi)部量子輻射復(fù)合就是在那里發(fā)生缺陷（以及 Fe、 Cu一類的污染）引起的，深復(fù)合中心并跟著發(fā)生紅外發(fā)射或非輻射復(fù)合。這是由于雜質(zhì)在表面處有一能態(tài)的連續(xù)區(qū)（或準(zhǔn)連續(xù)區(qū)）可以把導(dǎo)帶和價(jià)帶連接起來，在表面態(tài)處的復(fù)合由聲子發(fā)射耗散掉多余的能量。LED對(duì)材料的要求：? Eg較大，因?yàn)榫w發(fā)光的 EmaxEg,Eg,Eg大，則便于發(fā)能量較大的藍(lán)光或綠光? 純度高，晶格完整性好，以減小非輻射復(fù)合? 直接帶隙的半導(dǎo)體，其躍遷效率高? 能容易與 Al、 Au等金屬形成良好的歐姆接觸? 穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜 .重要半導(dǎo)體的帶隙AlGaAs使用于 高亮度紅光和紅外 LED。AlGaInP適用于 高亮度紅 、 橙、黃及黃綠 LED。GaInN適用于 高亮度深綠 、 藍(lán)、紫和紫外 LED。帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系、帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系 電流密度電流密度與復(fù)合層厚度與復(fù)合層厚度成正比，為了成正比，為了要減小電流，要減小電流，減小復(fù)合層的減小復(fù)合層的厚度是必要的厚度是必要的。 這可以在砷化這可以在砷化鎵晶體中采用鎵晶體中采用具有不同數(shù)量具有不同數(shù)量的的 鋁的合金層鋁的合金層來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。n 用高達(dá) 37% 的鋁來代替鎵，帶隙從 加到 ，大約有 。 在鋁的相對(duì)含量大于 ，即 x＞ ，復(fù)合時(shí)除了產(chǎn)生光子外，還發(fā)生一些其他過程，其結(jié)果使得并不是所有的能量都用來產(chǎn)生光子，部分能量變成熱能，從而可能損傷晶體，并具有減少產(chǎn)生光的趨勢。n 根據(jù)光子能量關(guān)系：式中 c為真空中的光速，折射率 n取為 1， Et是粒子的能量損耗。對(duì)于一個(gè)擁有一電子電荷的粒子，其能量耗為帶隙能量 Eg。 式中 λ的 單 位 為 微米， 帶 隙能量 Eg的 單 位 為電 子伏特。因此 對(duì) 于 λ＝ ，當(dāng)含鋁 37％時(shí)， λ＝ 。z 鋁含量增加，輻射光波長減??；z 另一個(gè)重要的效應(yīng)是當(dāng)鋁的相對(duì)含量從零增加到 ，折射率減小 5%，因此，隨著 x的增加帶隙增大而折射率減小。帶隙幾乎增加 30%而折射率大約減小 5%。 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（ LED））n 1．表面發(fā)光二極管 n 2．側(cè)邊發(fā)光二極管 n 3．超輻射發(fā)光二極管 表面發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)、表面發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)n 短波長 ~ 雙異質(zhì)結(jié) GaAs /AIGaAs面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，其直徑約為 50μm，厚度小于 μm。n 一段光纖（尾纖）穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用接合材料加以固定，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。電極直徑發(fā)光區(qū)直徑I(J)纖芯包層光出射面N歐姆電極發(fā)光區(qū)SiO2絕緣膜P歐姆電極焊接金屬P0基本結(jié)構(gòu)管芯 反射器帶有圓形發(fā)射器的發(fā)光二極管①① 發(fā)光二極管的伏安特性曲線發(fā)光二極管的伏安特性曲線 表示發(fā)光二極管性能的參數(shù)有電學(xué)方面的，也有光學(xué)方面的，最基本的是發(fā)光二極管的電流一電壓特性。曲線形狀和普通半導(dǎo)體二極管差不多，電壓值很低時(shí)，幾乎沒有電流； 在正向特性一邊，電壓超過 1V或 ，電流迅速上升，顯示出歐姆導(dǎo)通特性，這個(gè)電壓值稱為開啟點(diǎn)。開啟點(diǎn)電壓的大小決定于半導(dǎo)體材料。 基本特性②② 光通密度與電流密度的關(guān)系光通密度與電流密度的關(guān)系 n 總的說來，光通密度隨著電流密度的增加而成正比例增加，但不容易出現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣的特性。 對(duì)于一些摻雜不是很高的材料 ，當(dāng)載流子達(dá)到一定數(shù)值后，光通密度達(dá)到飽和，再增加電流注入時(shí)，光通密度增加很少，甚至不再增加。電流密度 /（ mAcm2）光通密度（lmcm2）1 10 102 1031101021030101磷化鎵、綠色磷化鎵、紅色鎵砷磷鎵鋁砷③③ 相對(duì)發(fā)光亮度與環(huán)境溫度的關(guān)系相對(duì)發(fā)光亮度與環(huán)境溫度的關(guān)系n 右圖說明發(fā)光二極管的相對(duì)發(fā)光亮度與環(huán)境溫度的關(guān)系。由于結(jié)溫的升高使發(fā)光復(fù)合的幾率下降，發(fā)光二極管的亮度就會(huì)下降，所以發(fā)光二極管工作的環(huán)境溫度越高，所允許的耗散功率越小，允許的工作電流也就越小，結(jié)溫空控制一個(gè)別額定值之下。n 當(dāng)然即使環(huán)境溫度不變，由于注入電流加大，引起結(jié)溫升高，發(fā)光亮度 —電流密度由線也會(huì)呈現(xiàn)現(xiàn)飽和現(xiàn)象。 環(huán)境溫度 /℃ 0 20 40 6012020光致發(fā)光體發(fā)光二極管相對(duì)發(fā)光亮度④④ 出光效率出光效率n 出光效率 是指 PN結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分?jǐn)?shù)。 換句話說，是表示器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。影響因素：216。 半導(dǎo)體本身對(duì)光的吸收；216。 材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的全反射）。說明及解決措施說明及解決措施n 由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射率大得多，因此，出射角度不大時(shí)，就已經(jīng)形成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面產(chǎn)生的光透射不出來。即使出射角度很小時(shí)，也會(huì)有一大部分光被反射回去。光線在空氣界面折射時(shí)，按照菲涅爾射定律，有部分能量反射回去。n 為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率 、 低熔點(diǎn) 的透明玻璃對(duì)管芯進(jìn)行拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是垂直地入射到空氣界面，所以不會(huì)產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以 提高 4~7倍 。側(cè)邊發(fā)光二極管、側(cè)邊發(fā)光二極管發(fā)光區(qū)N歐姆電極SiO2絕緣膜P歐姆電極焊接金屬包層 纖芯端面（增透膜）側(cè)邊發(fā)光二極管、側(cè)邊發(fā)光二極管n 所謂側(cè)邊發(fā)光是指發(fā)光方向與結(jié)方向是平行的。圖中所示為一種雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，光限制層和載流子限制層是分開的，這是一種半定向輸出的砷化鎵 —鋁鎵砷器件。n 它發(fā)出的光束受異質(zhì)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)影響，形成比較定向的光束，光束發(fā)散角在垂直于結(jié)的方向約 30186。，在水平方向約 120186。，和表面發(fā)光二極管相比，有較劉的光耦合效率。對(duì)于接收立體角小的光纖來說，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)就更顯重要。n 另外，由于發(fā)光面積很小，所以有效亮度非常高，比表面發(fā)光的二極管亮度要高 40~60倍，可以達(dá)到 1000~1500W/（ ）。因此， 側(cè)邊發(fā)光二極管可以作為單模光纖的非相干光源。提高出光效率措施n 盡管側(cè)邊發(fā)光的發(fā)光二極管利用自發(fā)輻射的局部內(nèi)波導(dǎo)改善了發(fā)射光的方向性，但器件內(nèi)部復(fù)合區(qū)本身的光吸收使發(fā)射光功率受到了限制。216。 在器件表面開槽 。目的是把復(fù)合區(qū)控制在發(fā)射表面附近，減少內(nèi)部光吸收的影響。216。 在發(fā)射面上鍍?cè)鐾改?。以減少反射損失，從而進(jìn)一步提高光效率。 超輻射發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管n 這種二極管也屬于側(cè)邊發(fā)光二極管。為實(shí)現(xiàn)單程放大，仍采用細(xì)長條形結(jié)構(gòu)，其中一端有防止反射的損耗區(qū)，在此不存在光反饋，使光不形成光振蕩，只有在電流通過的受激發(fā)射區(qū)內(nèi)才具有單程光增益；n 在另一端有光功率輸出，輸出功率隨注入電流增入而增強(qiáng)，輸出光仍為非相干光束，但輸出光束的方向性有改善，輸出功率也比一般側(cè)邊發(fā)光的二極管提高了，因發(fā)光過程為受激輻射的單程光放大，因而輸出光譜亮度也窄了，一般可在 。但這種器件的工作電流密度較高，電流強(qiáng)度數(shù)值也大。n 下 圖為一種砷化鎵 —鋁鎵砷雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的單程光增益的超輻射發(fā)光二極管，圖中示意性地畫出了同質(zhì)結(jié)構(gòu)。 超輻射發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管圖 229 超輻射發(fā)光二極管1— 損耗區(qū)； 2— 有源層；3， 7— 金屬； 4— 解理面；5— 非相干輸出光束； 6— 隔離層；8— 條形接構(gòu)（增益區(qū)）LED的發(fā)光顏色 白光 LED的實(shí)現(xiàn)方法 白光 LED色區(qū)的劃分白光 LED的實(shí)現(xiàn)方法 一、 配色 ，白平衡白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為 69%，紅色的亮度為 21％，藍(lán)色的亮度為10％時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。但 LED紅綠藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過程等原因無法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的 亮度得到白色光，稱為配色。 白光 LED的實(shí)現(xiàn)方法二、 LED采用熒光粉實(shí)現(xiàn)白光 主要有三種方法，但它們并沒有完全成熟，由此嚴(yán)重地影響白光 LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用第一種方法是 ：在藍(lán)色 LED芯片上涂敷能被藍(lán)光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光互補(bǔ)形成白光。該技術(shù)被日本 Nichia公司壟斷，而且這種方案的一個(gè)原理性的缺點(diǎn)就是該熒光體中 Ce3＋離子的發(fā)射光譜不具連續(xù)光譜特性，顯色性較差， 難以滿足低色溫照明的要求。同時(shí)發(fā)光效率還不夠高，需要通過開發(fā)新型的高效熒光粉來改善。第二種方法是 ：在藍(lán)色 LED芯片上涂敷綠色和紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光。該類產(chǎn)品雖顯色性較好，但所用熒光粉的轉(zhuǎn)換效率較低，尤其是紅色熒光粉的效率需要較大幅度的提高，因此推廣也較慢。 白光 LED的實(shí)現(xiàn)方法 第三種