LED的工作原理与基本结构是什么?

LED的工作原理与基本结构是什么?

当一个正向偏压施加于PN结两端,由于PN结势垒的降低,P区的正电荷将向N区扩散,N区的电子也向P区扩散,同时在两个区域形成非平衡电荷的积累.对于一个真实的PN结型器件,通常P区的载流子浓度远大于N区,致使N区非平衡空穴的积累远大于P区的电子积累(对于NP结,情况正好相反).由于电流注人产生的少数载流子是不稳定的,对于PN结系统,注人到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合,其中多余的能量将以光的形式向外辐射,这就是LED发光的基本原理.通常,禁带宽度越大,辐射出的能址越大,对应的光子具有较短的波长;反之,禁带宽度越小,辐射出的能量越小,对应的光子具有较长的波长.对于GaAsP, GaInAIP, InGaN, GaAIAs等半导体材料,其禁带宽度对应的发光波长恰好处于380-780nm的可见光区域,从而为LED的发展与应用奠定了广阔的空间.
LED器件的基本结构一般可归为两大类,一类是针对Gap,GaAsP, AIGaA,等传统型LED,通常采用液相外延或气相外延-r.艺在GaP或GaA.衬底上生长PN结或NP结型的简单结构,为提高发光强度,也有制成异质结构的.这类器件的衬底往往是PN结的一部分,或P型区,或N型区.因此,这类器件的衬底质量将直接影响着器件的电学与光电特性,掺杂浓度合适的衬底对提高外延层质量、减小串联电阻至关重要.衬底对发射光的吸收情况也是一个重要问题,一般的GaAsP器件都采用GaAs衬底,采用GaP衬底可明显提高发光效率.这是由于用透明的GaP替代GaA,后,使LED芯片从面发光变成体发光,大大减小了衬底对光的吸收.此外,外延层应保持较高的载流子浓度,以确你足够高的注人效率.第二类结构主要是针对超高亮InGaAIP红黄光与InGaN蓝绿光器件而言.这类器件的基本结构通常包括四个区域:即衬底区、布拉格反射区、DH或MQW发光区和窗口区.这类器件一般均通过MOCVD外延工艺制备,良好的衬底亦是整个外延工艺的基础,对于InGaA1P材料,通常采用GaAs材料作
衬底,当In的原子总含量为0.25时,InGaAIP材料的晶格常数将很好地与GaAs相匹配,可获得高质量的外延层.对于GaN基器件,由于获得GaN块晶材料困难,一般采用蓝宝石或sic作为外延衬底.结构的第二部分为布拉格反射区,对于InGaA1P器件,由于GaA.作衬底对红黄光的吸收很强,通常在衬底与发光区之间生长一个布拉格反射区,以便有效反射来自发光区的光辐射,从而改善了器件的出光性能.对于GaN基LED器件,由于蓝宝石或sic材料不存在对光的强烈吸收,因此一般可不加布拉格反射区.第三层为发光区,该区域是整个器件的核心,采用双异质结或量子阱结构能大幅度提高电光转换效率.最后一层是窗口区,通常该区域的材料具有较大的禁带宽度,能有效透过来自发光区的光辐射.其次.窗口区材料应具有较高的载流子浓度、低的电阻率,以便实现较好的电流扩展,让工作电流能均匀地流过整个PN结区.
为了进一步提高发光效率与耗散功率,许多新型结构的LED器件正在开发中,最典型的有GaP透明衬底、金属膜反射、截角倒锥体、表面纹理等结构.