半导体光子学第5章课件

1第五章

半导体发光二极管

CHAPTER5LED

(LightEmittingDiodes)2目录1.引言2.能带图和伏-安特性3.发光二极管的分类4.发光二极管的工作原理5.发光二极管材料6.发光二极管器件结构7.超辐射发光二极管8.发光二极管的特性9.发光二极管的发展趋势3SolidStateLighting:

TheLightEmittingDiode5Compoundsemiconductors

usedinvisiblelightemitters6GaN3.4eV(UV)InN0.8eV(IR)InxGa1-xN Visible+UVEg(x)=xEgInN+(1-x)EgGaN–bx(1-x)Compositionalinhomogeneities

phaseseparationforx>0.06 a c GaN 3.1895.185 InN 3.5455.703InGaNAlloys11%latticemismatch

7LEDsbasedonInGaNQuantumWells8ChromaticityDiagram10WhiteLight:3LEDs12InGaNmultiplequantumwelllaserdiode(Nichia1996)14NitrideLEDsExternalQuantumEfficiency(%)Wavelength(nm)Underlyinglayer：GaNUnderlyinglayer:AlGaN15(a)半导体的能带图，(b)态密度：单位体积单位能量中的能态数目g(E)

，(c)费米-狄拉克分布函数f(E)，(d)g(E)和f(E)的乘积，表示单位体积单位能量中的载流子(电子或空穴)的数目。半导体能带、态密度、载流子浓度16半导体中普遍遵循费米-狄拉克函数f(E)：导带中能量E处的电子浓度：导带中电子的总浓度：

导带中的电子浓度17如果将导带中所有的态密度看作导带底处有效态密度Nc，那么可以将整个导带中的电子分布简化为玻尔兹曼分布：导带中电子的总浓度：导带中的电子浓度18如果将价带中所有的态密度看作价带顶处有效态密度Nv，那么可以将整个价带中的空穴分布简化为玻尔兹曼分布。价带顶处空穴的有效态密度Nv为价带中空穴的总浓度：价带中的空穴浓度20本征半导体中的空穴浓度导带中的电子浓度正好等于价带中的空穴浓度：

本征半导体材料的费米能级：本征材料的电子浓度ni满足下式:21电导率如果电子和空穴的迁移率分别为e和h，则半导体材料的电导率为：对于n型半导体、并且施主浓度Nd>>ni来说，其电导率为：同理，如果受主杂质浓度为Na，并且比本征浓度ni大很多，那么室温下p=Na，电子的浓度，比p小很多，相应地p型材料的电导率为：

23依据电中性条件很容易推导出自建电场的大小为:相应地自建电压的大小为：电中性平衡时自建电动势为-eV0，它同材料的载流子浓度的关系为：pn结的一些特性24上两式还可以表达为：

如果材料的掺杂为浅能级杂质，并且室温下完全离化了，则，，则V0可以表达为：26pn结耗尽层附近的电流分布曲线27半导体同质结的伏-安特性在外加电压V的作用下，流经整个半导体电流的大小是由载流子的漂移电流和扩散电流等不同部分组成的。总电流的大小为：式中

28半导体同质结的伏-安特性

如果电子耗尽层Wn中的空穴平均复合寿命为h，空穴耗尽层Wh中电子的平均复合寿命为e，并且Ev>kBT时，则复合电流密度为：将这两个表达式相加并且进行一些化简，二极管的伏安特性可以综合地表达为：式中I0为常数，为二极管的理想因子，它介于1和2之间。对于扩散机理的电流来说，＝1，对于复合电流来说＝2。3031同质pn结的能带图(a)无偏压时的能带图(b)正偏压时的能带图32同质pn结的能带图(c)反偏压时的能带图(d)反偏压时耗尽层中因为热激发所产生的电子-空穴对，形成很小的复合电流。33不同半导体材料的发光光谱图34LED半导体材料发光半导体材料衬底带隙(nm)out(%)说明GaAsGaAs直接870-90010红外LEDAlxGa1-xAs(0<x<0.4)GaAs直接640-8705-20红到红外DHLEDIn1-xGaxAsyP1-y(y2.20x，0<x<0.47)InP直接1-1.6m>10光通信用LEDIn0.49AlxGa0.51-xPGaAs直接590-6301-10绿色红色LEDGaAsyP1-y(y>0.55)GaAs直接630-870<1红-红外InGaN合金GaN,SiC，红宝石,Si直接430-460<1兰色LED掺Zn-O的GaPGaP间接7002-3红色LED掺N的GaPGaP间接565<1绿色LEDGaAsyP1-y(y<0.55)(掺N或Zn、O)GaP间接560-700<1红、橙、黄色LEDSiCSi，SiC间接460-4700.02兰色LED,效率低35发光二极管的分类1.按芯片材料分类2.按器件封装分类

环氧树脂全包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装和玻璃封装等多种。3.按发光颜色分类

红色、橙色、绿色(细分还有黄绿、标准绿和纯绿)、蓝色、双色、三色等,近红外和红外.4.按发光强度分类

普通LED，发光强度小于10毫坎德拉（mcd）高亮度LED：10—100mcd

超高亮度LED；>100mcd5.按发光面特征分类

圆形发光管、方形发光管、矩形发光管、面发光管、侧向发光管、微形发光管等多种。6.按应用分类

指示灯、照明灯、数码显示器、短距离光通信光源。36发光二极管的工作原理发光二极管LED的要素：

1，合适的发光材料；

2，pn结结构；

3，正偏压下注入电子-空穴对，提供能量；

4，电子-空穴复合发射光子。LED通常是用直接带隙材料制成，也可以用含有等电子陷阱的间接带隙材料制成。正偏置pn结时，在(Ln+Lp)的区域中形成了高浓度的电子-空穴对。复合时发射的光子能量近似等于带隙。电子-空穴对复合发光的区域为有源区。正偏压作用下少子的注入和电子-空穴对复合的物理过程为注入式电荧光。

37发光二极管的工作原理异质LED：窄带材料作有源区，宽禁带的材料作限制层。间接带隙LED：等电子杂质。例如，GaP掺入大量的N，引进了等电子陷阱，形成一个杂质带，形成一杂质带尾，能够提供大量的电子，发射缘光(565nm)。同质结LED常常是pn+结。在n+型一边，施主杂质浓度Nd比p型边的Na高得多。n+边的耗尽层很薄。由n+边注入至p边的电子浓度比由p边注入到n+边的空穴浓度多得多。因而电子-空穴对的复合主要发生在p边一侧。38发光二极管的结构示意图(a)和(b)平面出光的LED(c)光在LED中的反射示意图，(d)和(e)球面发光LED的结构和光的输出意图。39几种发光二极管的结构图(a)面发射Burrus型发光二极管(b)面发射发光二极管(c)边发射发光二极管(a)(c)(b)40四种AlxGa1-xAs/GaAs发光二极管的器件结构。(a)带聚焦透镜的LED,(b)半球形面发射LED,(c)带波导层的边发射LED(d)具有电流限制作用的边发射LED。41SLD结构

(a)双区SLD

(b)斜条形SLD

(c)弯曲条型SLD(a)(b)(c)42LED、SLD和LD的比较

器件LEDSLDLD器件结构pn结复合区+吸收区+端面增透膜异质结+谐振腔光输出功率通常﹤1mw0.3-5mw1-100nw或更大光谱半宽（nm）50-15030-90﹤0.5相干长度不相干短，微米量级长，毫米量级光束发散角度12030-40~15×45工作原理自发辐射自发辐射+光放大受激辐射+光放大应用领域显示、照明、短距离光通信等光纤陀螺光纤传感光纤通信、光盘存储、激光测距、光纤传感、光学仪器等43

同光纤耦合的发光二极管结构图44LED的P-I特性和P-T特性45表面出光和端面出光的InGaAsP

LED的发射光谱

46三种发光器件的电-光特性比较47三种发光器件的电-光特性比较48超辐射发光二极管的精细光谱49TheNewGenerationLightingInitiativeAnationalprojectfirstproposedinMarch2000bySandiaNationalLaboratory

andHewlett-Packard.InJuly2001,SenatorsJeffBingamanofNewMexicoandMikeDeWineofOhio

introducedabilltotheSenate,whichcalledfortheestablishmentinthe

DepartmentofEnergyofa"Next-GenerationLightingInitiative"(NGLI).

Theinitiativeislikelytostartbeingfundedthisyear.50ANewGenerationTarget:200lm/WwithinnextdecadeHistory&projectionofefficiency(inlm/W)ofconventional“tube”51ANewGenerationThestepstonesinoutputfluxandcolorforsemiconductorlightapplicationTarget:Whitelighting52GrandChallengesImprovegreenandyellow&bringallwavelengthsto50%BestlaboratoryresultsandproductionaverageforLEDelectricaltoopticalpowerconversionefficiencys.53HighPowerApplications54OtherCommercialOpportunities55习题1.试述半导体发光二极管的工作原理。2.采用半导体直接带隙材料和间接带隙材料都能够制备半导体发光二极管吗？为什么？3.试述LED、SLED和LD的同异。4.实验表明，E=hc/,E=(h)mkBT,半导体LED的发射光谱的峰值波长p和半宽如下表所示:材料AlGaAsAlGaAsAlGaAsGaAs