发光二极管的发光原理

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陈绍东 LED发光二极管的发光机理

PN结未加电压时构成一定的势垒

当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。

发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg。如Eg的单位为电子伏（eV） ,

Eg=hv/q=hc/(λq)

λ=hc/(qEg)=1240/Eg (nm)

1红色LED：红色发光二极管的波长一般为650~700nm，所用材料为GaAs0.6P0.4

2 绿色LED：绿色发光二极管的波长一般为555~570 nm。所用材料为GaP

3 蓝色LED：蓝色发光二极管的波长一般为470-475nm，基于宽禁带半导体材料氮化稼（GaN）和铟氮化稼（InGaN）能做出发蓝光LED

白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色LED芯片上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片周围密封。两种方式（单芯片型和多芯片型）可得到色调效果好（Ra 85）的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色（R.G.B）或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外LED作激励光源激励荧光体的方式。

光生伏特效应

光照在半导体p-n结或金属—半导体接触面上时，会在其接触的两侧产生光生电动势的现象。如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区运动和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

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发光二极管工作原理

发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。 它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。 如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像，或是用于点亮交通信号灯。

本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。

在本文中，我们会分析这些无所不在的闪光元件背后的简单原理，与此同时也会阐明一些饶有趣味的电学及光学原理。

二极管是最简单的一种半导体设备。广义的半导体是指那些具有可变导电能力的材料。大多数半导体是由不良导体掺入杂质（另一种材料的原子）而形成的，而掺入杂质的过程称为掺杂。

就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓 (AlGaAs)。 在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。

具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。

拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。

一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。这种结构只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。在耗尽区内，半导体材料回到它原来的绝缘态——即所有的空穴都被填充，因而耗尽区内既没有自由电子，也没有供电子移动的空间，电荷则不能流动。

二极管参数

普通发光二极管的正向饱和压降为１．６Ｖ～２．１Ｖ,正向工作电流为５～２０ｍＡLED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义(1)正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。(2)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。(3)V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。

LED的分类1．按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2．按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。3．按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4．按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

氮化镓发光二极管

氮化镓发光二极管（GaN LED）是一种半导体器件，其主要特点是具有高亮度、高效率和长寿命等优点。本文将从氮化镓发光二极管的原理、制备方法以及应用领域等方面进行论述。

一、氮化镓发光二极管的原理

氮化镓发光二极管是利用氮化镓材料的发光特性制造的。氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有较高的能隙和较高的电子迁移率，使得氮化镓发光二极管具有较高的发光效率。

当在氮化镓发光二极管中施加正向电压时，电流通过正向偏置的PN结，激活了氮化镓材料中的载流子。当电子和空穴复合时，能量被释放出来，产生光子。由于氮化镓材料的能隙较大，所释放的光子具有较高的能量，可见光甚至紫外光。

氮化镓发光二极管的制备方法主要有金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）两种。

金属有机化学气相沉积是目前制备氮化镓发光二极管的主流方法。该方法通过在高温环境下，将金属有机化合物和氨气反应，使金属有机化合物分解并释放出金属原子，然后与氨气中的氮原子反应生成氮化镓材料。经过多次反复的沉积生长，形成多层氮化镓结构，最终制备出氮化镓发光二极管。

分子束外延是一种高真空条件下进行的制备方法。该方法通过将高能量的电子束轰击氮化镓靶材，使靶材表面的原子释放出来，并在衬底表面沉积，逐层生长形成氮化镓薄膜。经过多次反复的沉积生长，形成多层氮化镓结构，最终制备出氮化镓发光二极管。

三、氮化镓发光二极管的应用领域

由于氮化镓发光二极管具有高亮度和高效率的特点，因此在照明、显示和通信等领域有着广泛的应用。

1. 照明领域：氮化镓发光二极管具有较高的发光效率和长寿命，可以替代传统的白炽灯和荧光灯，用于室内照明和户外照明。其高亮度和节能性使得氮化镓发光二极管成为照明行业的重要技术。

2. 显示领域：氮化镓发光二极管还广泛应用于各种显示器件中，如液晶显示器背光源和有机发光二极管（OLED）等。其高亮度和色彩鲜艳的特点使得显示器具有更好的显示效果。