半导体光电子器件半导体发光二极管教学PPT.ppt

1 ch5半导体发光二极管 lightemittingdiode led 2 概述led laser基本结构与特点 结构 半导体二极管 pn结 特点 单色性好 led 10 50nm laser 0 01 0 1nmled与laser区别 led 自发发射 产生非相干光 laser 受激发射 产生相干光 led与laser发光机理 正偏pn结电子与空穴复合 释放光子 3 可能的辐射复合 一 辐射复合与非辐射复合过程 1 辐射复合 a 本征复合 h egb 高能复合 h eg a b 直接带隙复合 h eg间接带隙复合 h eg n 1 带间复合 2 杂质与带间复合 f j d e c 导带 受主d 施主 价带e 施主 受主 3 深能级杂质复合 c h 俄歇复合 4 4 激子复合激子 电子和空穴束缚形成的可在晶体中移动的中性粒子 激子中电子和空穴复合 激子复合 5 等电子复合 等电子 同价原子取代主原子 称为等电子 等电子中心 原子序数不同 内层电子结构不同 电负性不同 原子序数小的 电子亲和力大 易俘获电子成为负电中心 原子序数大的 易俘获空穴成为正电中心 该中心称为等电子中心 等电子复合 等电子中心再俘获相反类型载流子形成束缚激子 之后复合发光 称等电子复合 6 等分子复合 等分子 一种分子取代主分子 称为等分子 等分子复合 若其电子亲和力大 易俘获电子成为负电中心 反之 易俘获空穴成为正电中心 然后再俘获相反类型载流子复合 称等分子复合 5 2 非辐射复合 1 多声子跃迁电子和空穴复合所放出的能量产生声子 这一过程叫做子跃迁 声子跃迁的结果 使电子放出的能量转变为晶格振动能 2 俄歇复合电子和空穴复合时 把多余的能量传给第三个载流子 获得能量的载流子又会产生多声子过程 这种复合称为俄歇复合 另外还存在许多其它的非辐射复合过程 色散 由于热能 电子能量略高于ec 空穴能量略低于ev 所以 发射光子能量 6 二 半导体发光二极管 1 基本结构 2 基本工作原理 少子扩散长度 正偏 非平衡少子辐射复合 自发辐射 能量 动量守恒 7 a 本征型直接带隙动量守恒 效率高 能量守恒间接带隙动量不等 效率低 8 施主 受主 几个晶格距离 激子 等电子中心 等分子中心 b 非本征型 9 3 发光效率内量子效率 外量子效率 10 4 影响发光效率因素 1 led材料吸收2 菲涅耳 fresnel 损耗光子从一种介质入射另一种介质 因折射率不同而部分光子被反射回 称菲涅耳损耗 3 斯涅耳 snell 损耗光子从折射率大的介质向折射率小的介质入射时 若入射角大于其临界角 c 则 入射光从界面全反射回原介质 11 3 菲涅耳 fresnel 损耗 gaas c 16 gap c 17 1 led材料吸收h eg 衬底 表面 吸收 gaas吸收85 gap吸收25 2 斯涅耳 snell 损耗 12 5 考虑效率的led结构1 抗反射膜垂直入射光菲涅尔反射系数 13 2 异质结led p型 1017 n型 1017 降低吸收 1017 1018 1016 1017 14 3 封装外形与效率 15 7 光纤通信led 8 侧光高强度led 16 9 白光led1 多基色2 单色led覆盖色彩转换材料如荧光材料 有机染料 半导体材料等 吸收原色后发出宽谱 3 蓝光led覆盖黄色磷 蓝光与磷产生的黄光合成白光 13 17 10 发光二极管主要材料 可见光 4000 7600 eg 1 8 2 9ev 18 1 gaas1 xpx gaas gap 红 橙 黄 绿 亮度较低x 0 45 0 5转化为间接带隙 效率降低措施 gaas1 x px 1 y ny 引入等电子中心机理 等电子中心复合能级接近导带底 电子波函数在空间高度局域化 基于测不准原理 波函数动量在k空间可有较大的范围 动量的变化量被等电子杂质吸收 19 2 alxga1 x yin1 yp 红 橙 黄 高亮度x 0 53转换为间接带隙 常用作双