半導體發光二極體

半導體發光二極體的結構公差沒有激光器那麼嚴格，而且無諧振腔。所以，所發出的光不是激光，而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區的空穴也將向負方向擴散，進入有源層。進入有源層的電子和空穴由於異質結勢壘的作用，而被封閉在有源層內，就形成了粒子數反轉分佈。這些在有源層內粒子數反轉分佈的電子，經躍遷與空穴複合時，將產生自發輻射光。

半導體發光二極體的結構簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統中的應用極為普遍。

在正向偏置下，半導體PN結或與其類似的結構能夠發出可見光或近紅外光，這種把電能直接轉換為光能的器件稱為發光二極體，簡稱LED。

發光是物體內部以某種方式儲存的能量轉化為光輻射的過程。發光物體的光輻射是材料中受激發的電子躍遷到基態時產生的。半導體（主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素構成的化合物半導體）發光二極體屬於電流激發的電致發光器件。

電致發光現象發現於1923年，當時並沒有引起人們的注意。隨著近代技術的發展，對發光器件提出了新的要求，希望發光管簡單、可靠、壽命長、價格低、小型化。所以自60年代開始電致發光的研究非常活躍。

原子、分子和某些半導體材料，能分別吸收和放出一定波長的光或電磁波。根據固體能帶論，半導體中電子的能量狀態分為價帶和導帶，當電子從一個帶中能態E1躍遷(轉移)到另一帶中的能態E2時，就會發出或吸收一定頻率(υ)的光。υ與能量差(墹E＝E2-E1)成正比，即

υ＝墹E/h(Hz)

此式稱為玻爾條件。式中h＝6.626×10-34J·s。

當發光二極體工作時，在正偏下，通常半導體的空導帶被通過結向其中注入的電子所佔據，這些電子與價帶上的空穴複合，放射出光子，這就產生了光。發射的光子能量近似為特定半導體的導帶與價帶之間的帶隙能量。這種自然發射過程叫作自發輻射複合（圖1）。顯然，輻射躍遷是複合發光的基礎。注入電子的複合也可能是不發光的，即非輻射複合。在非輻射複合的情況下，導帶電子失去的能量可以變成多個聲子，使晶體發熱，這種過程稱為多聲子躍遷；也可以和價帶空穴複合，把能量交給導帶中的另一個電子，使其處於高能態，再通過熱平衡過程把多餘的能量交給晶格，這種過程稱為俄歇複合。隨著電子濃度的提高，這種過程將變得更加重要。帶間躍遷時，輻射複合和非輻射複合的兩種過程相互競爭。有的發光材料表現為輻射複合佔優勢。

LED的結構依應用和材料摻雜情況而異。用於可見光指示和顯示方面的LED,要求結構最佳化以獲得高效率；用於光通信方面的LED,需要有高輻射度以把最大功率耦合入纖維，還希望有較大的調製能力。用作指示燈和顯示器的LED的基本結構見圖2。

光通信用LED的發射波長必須在光纖呈現低損耗的窗口區。0.8～0.9微米的GaAlAs-GaAs發光管和1.3～1.6微米的InGaAsP-InP發光管，波長分別落在石英纖維的第一和第二個透明窗口。為了與纖維耦合，光可以從LED的一面或一邊提取。

①提高內量子效率,要求盡量減少晶體缺陷和有害雜質；

②提高外量子效率，結構要便於光收集、提取和發射；

③可以用攜載信息的輸出電流直接對光輸出進行高速率的調製；

④結構要有利於散熱，減少因結溫上升引起光功率下降；

⑤要有高的輻射度，因此必須應用直接帶隙半導體和能夠在高電流密度下驅動的結構。

在低壓(低於2伏)、小電流（幾十毫安至200毫安）下工作，功耗小、體積小、可直接與固體電路連接使用；

穩定、可靠、壽命長(105～106小時)；調製方便，通過調製LED的電流來調製光輸出；光輸出響應速度比較快（1～100兆赫）；

價格便宜。

LED可用作指示燈、文字-數字顯示、光耦合器件、光通信系統光源等。

用作指示燈的LED有兩種結構：徑向引線結構和軸向引線結構。前者尺寸小、價格低，適宜安裝在印刷電路板上；後者既可安裝在儀器面板上，又可直接安裝在印製線路板上。專為印製線路板設計的最小的LED指示燈，可與晶體管和集成電路兼容，用來指示電路狀態和故障。LED可作為電視頻道調諧指示器，還可用於高保真度收音機和錄音機以及汽車、飛機和機電工業。大多數指示燈是單管芯，新發展的還有雙色燈和多色燈。

LED用作袖珍計算器。數字手錶和電子儀錶的數字顯示，一般為七段顯示。但對台式計算器,更靈活的顯示方式（產生全文字-數字）是35點矩陣，其中LED裝成7×5陣列。35點矩陣價格較高、驅動電路複雜，其應用不及七段顯示器件廣泛。

GaAs（或GaAsP）LED和Si－PN結探測器相結合，可以製成許多新型器件，進行光-電和電-光的傳遞，通常稱為光耦合器件。熟知的是光耦合隔離器，它高速、可靠並可提供高至2.5千伏的電隔離。GaAsLED與Si晶體管相結合製成穿孔卡片或磁帶的光電子讀數頭，比鎢絲燈徑向分佈可靠、穩定、抗震和功耗小。採用光耦合器件的汽車點火裝置，省油、易起動、工作平穩。GaAlAs負阻發光二極體可用作發光開關、可控發光整流器和光波長轉換等。

通信、信息處理和光耦合等應用要求LED有良好的方向性。適於光通信應用的兩種主要光源是高輻射度LED和半導體注入激光器。LED穩定、可靠、壽命長、驅動電路簡單、功率對溫度不敏感，廣泛用作中、短距離（鐵路、電力、交通、公安等）光通信系統的光源。GaAlAs－GaAs面發光管的帶寬為10～20兆赫，適用於二次群光通信系統(可傳輸120路電話),傳輸距離大於5公里。GaAlAs-GaAs快速邊發光管帶寬50～100兆赫，適用於三級群光通信系統(可傳輸480路電話)，傳輸距離數公里。InGaAsP-InP LED可用於更長距離(大於10公里)的傳輸系統。此外，LED還用於信息處理、圖像傳輸、測距和感測等方面。

①輸出光功率與電流和溫度的關係。對錶面出光器件，在驅動電源較小時，輸出功率隨電流線性增大，電流較大時變為亞線性，量子效率也隨之降低，這是發熱溫升引起的。超輻射二極體因存在相當大的增益，使器件存在很強的超線性行為，溫度敏感性隨增益提高而增強；②光譜特性，表面發光的LED光譜屬自發輻射譜。發射波長為0.85μm的GaAlAs（鎵鋁砷）器件，光譜寬度約為40nm。1.3μm的InGaAsP（銦鎵砷磷）器件為ll0nm。端面出光LED，由於沿有源區長度方向的自吸收，譜寬比面出光LED窄，對超輻射二極體，光增益的出現使光譜進一步變窄；③輸出功率和調製帶寬，影響LED輸出功率和調製帶寬的因素有界面非輻射複合，自吸收和載流子漏泄等。這些因素又與器件參數有關，諸如摻雜濃度、少數載流子擴散長度、吸收係數、有源層厚度，雙異質結中有源層與限制層的帶隙能量差和注入電流密度等，這些參數又是相關的。調製帶寬與輸出功率呈倒數關係，對特定的材料和工藝水平其功率與帶寬乘積也不同。