LED元件結構與光電原理概述

LED元件結構與原理

原理

光電二極體結構
- pn接面：由直接接觸半導體材料形成，例如 GaAs 和 GaN。
- 其電子-電洞對 (EHP, electron-hole pair) 復合，且放射出光子 (radiative recombination)。
能量釋放
- 放射出的光子能量接近於能隙能量 $hv = E_g$ 。
活躍區域
- 群經濟部的光源為「主動區 (active region)」。
注入電流
- 電洞對形成並發生光辐射現象，因為數載子的注入而產生。
- 使用注入電流 (injection electroluminescence) 來增強發光。
自發發射
- 由於電子與空穴雜散而自發釋放光，稱為自發發射 (spontaneous emission)。

元件結構

LED結構
- LED型構造成是使用外延(Epitaxy) 方式成長，通常在一個基板 (substrate) 上膜。
- 形式：一個典型的結構（如 GaInN/GaN）。
接面結構
- 在平面pn結中，電子和電洞在主動區重疊，這樣符合光的吸收與釋放原理。

結構元件	描述
p層	正電荷載體 (主要為電洞)
n層	負電荷載體 (主要為電子)

不匹配效應
- 假如外延層和基板間有不同比例的晶格常數，這將導致晶格不匹配 (lattice mismatch)。
- 可能產生晶體缺陷，會影響LED的性能。透過形成「晶格畸變 (strain)」可增加發光中心，強化發光效應。

參考圖示

圖(a)和圖(b)：描述電子與電洞的行為及其能量層級。
結構示意圖提供了LED中主要區域的視覺參考，包括主動區的繪製。

Lectures étendues:

zh.wikipedia.org

發光二極體- 維基百科，自由的百科全書

enlitechnology.com

光電二極體(Photodiode)全面解析：從基礎到應用 - Enlitech

cetccq.cetc.com.cn

[PDF] 半导体光电

LED材料与系列结构

1. 元件结构 (Component Structure)

图表显示了不同材料的能带结构和能隙(Eg)：
- GaP
- GaAs
- AlAs
- InAs
- InSb
通过它们的电子特性，可以分析适用于不同应用的材料。

2. LED材料

LED的发光波长由材料能隙决定，主要材料分为四类：
- (A) GaP/GaAsP系列
- (B) AlGaAs系列
- (C) AlInP系列
- (D) GaN系列
这些材料各自具有独特的发光特性和应用场景。

3. GaP/GaAsP系列

该系列是基于GaAs的三元合金（其成分为GaAs₁₋ₓPₓ）。
在能隙较小的情况下，发出具有特定颜色的光（如630 nm的红光）。
光电效应（Photoluminescence）在这个材料系统中是重要的，允许电子在被激发后释放能量。

关键点：

GaP材料的能隙大于0.45 eV，适合于发光应用。
GaAsP能隙调制能力强，可通过改变成分进行调整。

4. AlGaAs系列

AlGaAs材料体系是1970年代末至1980年代初发展的，是第一种广泛应用于高效率LED的材料体系。
其成分中Al比例的改变可以调整其发光波长，通常在640到870 nm范围。

关键点：

该系列材料常用于红色和红外LED的应用，因其能效和波长调谐能力较强。
AlGaAs特别适用于激光二极管（LD）等高功率应用。

总结

LED材料及其结构关系到产品的性能和应用领域。不同材料的组合提供了一系列的发光颜色和特性，适应多样化的技术需求。

Lecturas extendidas:

LED发光原理与芯片制造 - 百度文库

[PDF] Physics of Optoelectronic Devices - Light-Emitting Diodes - Vishay

display.ofweek.com

GaAs基LED芯片量产！兆驰半导体打造化合物半导体光电器件技术 ...

AlGaInP & GaN系列

AlGaInP系列

組成與結構
- AlGaInP合金是由In, Ga, Al三種元素合成，屬於III-V族材料。材料的直接能隙值可以調整，並涵蓋可見光範圍。
- 這些材料的能隙範圍從 $In_0.49Ga_{0.17}Al_{0.34}P$ 到 $In_{0.49}Ga_{0.058}Al_{0.452}P$ 。
應用與特性
- 當前長波長強度LED主要使用此材料，其波長可達625 nm（紅光）、610 nm（橙光）以及590 nm（黃光）。
- 此外，擴展應用至其他合金，如In1-GaAsy，能夠發出870 nm（GaAs）至4.5μm（InAs）的光。

數據與圖表

能隙與組成關係圖

材料	能隙 (eV)	波長 (nm)
GaInP	2.26	550
AlInP	2.45	505
InP	1.89	655

合金組成範圍

成分變化	組成範圍
Al0.43In0.57P	x = 0.43
In0.49Ga0.51P	$In_{0.49}Ga_{0.51}P$

GaN系列

材料與特性
- 兩種主要藍光LED材料：
  - 第一種是GaN直接接面半導體，能隙約3.4 eV。
  - 第二種是經由隱蔽層的碳化矽（SiC LED），其效率相對較高，並將GaN材料的特性應用於製造。
應用
- 藍光GaN LED在實際應用中使用GaN作為基材，並對應至藍光發光二極體其能隙值約為2.7 eV。

小結

重要性
- AlGaInP和GaN材料是當前紅光及藍光LED開發的重要基石，根據其能隙可以應用於不同顏色的光源。
相對優勢
- GaN材料的高效能及可見光發射特性，使得其廣泛應用於先進光電裝置中。

Extended readings:

www.sciencedirect.com

Recent progress of InGaN-based red light emitting diodes

Critical aspects of AlGaInP-based LED design and operation ...

www.sciencedirect.com

Development of gallium-nitride-based light-emitting diodes (LEDs ...

GaN系列高强度LED

1. GaN 系列

GaN（氮化镓） 是半导体材料，用于制造高效能的光电器件。它具有宽禁带特性，使其在光电子和高频应用中表现突出。
铝氮化物（AlN） 和铟氮化物（InN） 是GaN系列中的其他材料。通过调整这些材料的比例，可以调节发光波长以满足不同的应用需求。

2. 异质接面高强度LED

LED 结构 ：异质接面结构（例如 p-n 结）具有两个不同半导体材料，确保电流的有效流动和光的高效生成。
光效吸收 ：在设计LED时，p型材料的能带结构需合适，以提高光的发射效率，确保光能得到最大化的收集。

设计要点

a) p型材料设计 ：
- 需确保采用适宜的材料以便有效地发射光。
- 比如，在某些材料中引入掺杂元素，可以增强光的产生。
b) 假晶体缺陷 ：
- 晶体生长过程中可能会出现缺陷，导致光的被吸收和损耗。因此，要降低缺陷率以保障光的有效利用。

3. LED 输出增强

LED的输出增加可通过优化其结构和材料选择实现。
波长调谐 ：通过改变材料比例，能够调节发光波长，以适应不同的应用需求。

4. 结论

使用GaN系列材料的LED具有高效发光特性，广泛应用于照明和显示技术中。
对于设计高效LED，材料的选择及其结构至关重要，应精心设计以减少能量损失并提高发光效率。

Extended readings:

不知道该如何选择氮化镓芯片？原创 - CSDN博客

m.lightingchina.com

侧导光LED背光源的设计 - 中国照明网

www.cntronics.com

氮化镓（GaN）的最新技术进展

LED特性筆記

1. 異質接面高強度LED

這種LED的結構包括了異質接面，主要用於提高光發射效率。
接面通常由不同的半導體材料組成，這些材料具有不同的能量帶隙（Eg），如圖所示的AlGaInP和GaN。
異質接面能有效地提升電子和孔的重組機率，進而增加光發射強度。

2. LED 的特性

LED的發光過程涉及電子轉移，這並不是簡單的材料特性，因而受到多種環境的影響。
LED的輸出特性與所施加的電壓和電流密切相關，應用於亮度調整和光色控制中。
LED的帶隙能隨材料和摻雜的變化而變化，影響光的波長。

3. LED電壓與載流子濃度

當LED電流增加時，帶來載流子濃度的增加，直接影響光的輸出亮度。
解释公式：
- E_b：基態能源
- E_g：帶隙能量
- 由於熱產生的載流子隨溫度上升（如T=k），此濃度會隨著電壓的增加而改變。

4. 例子 - 紅光LED

以紅光LED（波長約665 nm，頻率約24 nm）為例，其發光強度與電流密切相關。
當施加的電壓增加，LED的光輸出也隨之增強，顯示了非線性特性。

5. 導電性及其影響

LED的導電性決定了其工作性能，半導體材料的選擇（如GaAs、GaN）影響導電性。
對於紅光LED：
- 導致電壓範圍通常在3.5 ~ 5.4 V之間。

6. 總結

LED的特性和性能密切相關，影響因素包括材料類型、摻雜濃度以及外部施加電壓。
理解這些特性對於LED的應用和設計至關重要，特別是在高效率和強度要求的應用中。

圖表資訊

以下是圖表中引用的一些關鍵數據（如有）：

材料	帶隙能量 (eV)	輻射波長 (nm)	輻射頻率 (THz)
AlGaInP	2.x – 2.4	620-675	450-480
GaN	3.4	365	830

這些數據有助於理解不同材料對LED性能的影響和選擇。

Extended readings:

led特性(一文解读led特性实验) - 天成高科 - LED灯珠

www.ledinside.com.tw

LED的電學特性、光學特性及熱學特性 - LEDinside

www.aibangled.com

LED理论知识分享：LED芯片的电流扩展模型简介 - 艾邦LED网