半导体发光二极管

半导体发光二极管图片来源百度网原图链接

半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.1～0.2μm左右。

中文名:半导体发光二极管

外文名:semiconductor light emittingdiode， LED

厚 度:0.1～0.2μm左右

时 间:1923年

特 点:结构简单，体积小，工作电流小

应用学科:光纤通信技术

目录

简介

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半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格，而且无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。

优点

半导体发光二极管的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中的应用极为普遍。

在正向偏置下，半导体PN结或与其类似的结构能够发出可见光或近红外光，这种把电能直接转换为光能的器件称为发光二极管，简称LED。

发光是物体内部以某种方式储存的能量转化为光辐射的过程。发光物体的光辐射是材料中受激发的电子跃迁到基态时产生的。半导体（主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素构成的化合物半导体）发光二极管属于电流激发的电致发光器件。

电致发光现象发现于1923年，当时并没有引起人们的注意。随着近代技术的发展，对发光器件提出了新的要求，希望发光管简单、可靠、寿命长、价格低、小型化。所以自60年代开始电致发光的研究非常活跃。

发光机理

原子、分子和某些半导体材料，能分别吸收和放出一定波长的光或电磁波。根据固体能带论，半导体中电子的能量状态分为价带和导带，当电子从一个带中能态E1跃迁(转移)到另一带中的能态E2时，就会发出或吸收一定频率(υ)的光。υ与能量差(ΔE=E2-E1)成正比，即

υ=ΔE/h (Hz)

此式称为玻尔条件。式中h=6.626×10-34J·s。当发光二极管工作时，在正偏下，通常半导体的空导带被通过结向其中注入的电子所占据，这些电子与价带上的空穴复合，放射出光子，这就产生了光。发射的光子能量近似为特定半导体的导带与价带之间的带隙能量。这种自然发射过程叫作自发辐射复合（图1）。显然，辐射跃迁是复合发光的基础。注入电子的复合也可能是不发光的，即非辐射复合。在非辐射复合的情况下，导带电子失去的能量可以变成多个声子，使晶体发热，这种过程称为多声子跃迁；也可以和价带空穴复合，把能量交给导带中的另一个电子，使其处于高能态，再通过热平衡过程把多余的能量交给晶格，这种过程称为俄歇复合。随着电子浓度的提高，这种过程将变得更加重要。带间跃迁时，辐射复合和非辐射复合的两种过程相互竞争。有的发光材料表现为辐射复合占优势。

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LED结构

LED的结构依应用和材料掺杂情况而异。用于可见光指示和显示方面的LED,要求结构最佳化以获得高效率；用于光通信方面的LED,需要有高辐射度以把最大功率耦合入纤维，还希望有较大的调制能力。用作指示灯和显示器的LED的基本结构见图2。 半导体发光二极管

光通信用 LED的发射波长必须在光纤呈现低损耗的窗口区。0.8～0.9微米的GaAlAs-GaAs发光管和1.3～1.6微米的InGaAsP-InP发光管,波长分别落在石英纤维的第一和第二个透明窗口。为了与纤维耦合,光可以从LED的一面或一边提取。

对LED的要求

①提高内量子效率,要求尽量减少晶体缺陷和有害杂质；②提高外量子效率，结构要便于光收集、提取和发射；③可以用携载信息的输出电流直接对光输出进行高速率的调制；④结构要有利于散热，减少因结温上升引起光功率下降；⑤要有高的辐射度，因此必须应用直接带隙半导体和能够在高电流密度下驱动的结构。

LED的特点

在低压(低于2伏)、小电流（几十毫安至200毫安）下工作,功耗小、体积小、可直接与固体电路连接使用；稳定、可靠、寿命长(105～106小时)；调制方便，通过调制LED的电流来调制光输出;光输出响应速度比较快（1～100兆赫）；价格便宜。 　应用　LED可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等。

LED光通量的计算

φ=2πÌ（1-cos½α）

器件特性

①输出光功率与电流和温度的关系，如图3所示。对表面出光器件，在驱动电源较小时，输出功率随电流线性增大，电流较大时变为亚线性，量子效率也随之降低，这是发热温升引起的。超辐射二极管因存在相当大的增益，使器件存在很强的超线性行为，温度敏感性随增益提高而增强；②光谱特性，表面发光的LED光谱属自发辐射谱。发射波长为0.85μm的GaAlAs（镓铝砷）器件，光谱宽度约为40nm。1.3μm的InGaAsP（铟镓砷磷）器件为ll0nm。端面出光LED，由于沿有源区长度方向的自吸收，谱宽比面出光LED窄，对超辐射二极管，光增益的出现使光谱进一步变窄；③输出功率和调制带宽，影响LED输出功率和调

制带宽的因素有界面非辐射复合，自吸收和载流子漏泄等。这些因素又与器件参数有关，诸如掺杂浓度、少数载流子扩散长度、吸收系数、有源层厚度，双异质结中有源层与限制层的带隙能量差和注入电流密度等，这些参数又是相关的。调制带宽与输出功率呈倒数关系，对特定的材料和工艺水平其功率与带宽乘积也不同。

指示灯

用作指示灯的LED有两种结构:径向引线结构和轴向引线结构。前者尺寸小、价格低，适宜安装在印刷电路板上；后者既可安装在仪器面板上，又可直接安装在印制线路板上。专为印制线路板设计的最小的LED指示灯，可与晶体管和集成电路兼容，用来指示电路状态和故障。LED可作为电视频道调谐指示器,还可用于高保真度收音机和录音机以及汽车、飞机和机电工业。大多数指示灯是单管芯，新发展的还有双色灯和多色灯。

文字数字

LED用作袖珍计算器。数字手表和电子仪表的数字显示，一般为七段显示。但对台式计算器,更灵活的显示方式（产生全文字-数字）是35点矩阵，其中LED装成7×5阵列。35点矩阵价格较高、驱动电路复杂，其应用不及七段显示器件广泛。 　光耦合器件 　GaAs（或GaAsP）LED和Si－PN结探测器相结合，可以制成许多新型器件，进行光-电和电-光的传递，通常称为光耦合器件。熟知的是光耦合隔离器，它高速、可靠并可提供高至2.5千伏的电隔离。GaAsLED与Si晶体管相结合制成穿孔卡片或磁带的光电子读数头，比钨丝灯径向分布可靠、稳定、抗震和功耗小。采用光耦合器件的汽车点火装置，省油、易起动、工作平稳。GaAlAs负阻发光二极管可用作发光开关、可控发光整流器和光波长转换等。

光源

通信、信息处理和光耦合等应用要求LED有良好的方向性。适于光通信应用的两种主要光源是高辐射度LED和半导体注入激光器。LED稳定、可靠、寿命长、驱动电路 简单、功率对温度不敏感，广泛用作中、短距离（铁路、电力、交通、公安等）光通信系统的光源。GaAlAs－GaAs面发光管的带宽为10～20兆赫，适用于二次群光通信系统(可传输120路电话),传输距离大于5公里。GaAlAs-GaAs快速边发光管带宽50～100兆赫，适用于三级群光通信系统(可传输480路电话)，传输距离数公里。InGaAsP-InP LED可用于更长距离(大于10公里)的传输系统。此外，LED还用于信息处理、图像传输、测距和传感等方面。