浅析LED的发光原理

摘要：LED正向导电时，半导体内处于禁带下端的空穴与导带中自由电子相向扩散，在PN结里导带中的高能级的电子会落入能级较低空穴，电子，空穴复合成能量低很多的价带中的共价键电子。与此同时释放出多余的能量(光)。

关键词：半导体　电阻率　电子　PN结　二极管

中图分类号：TMI　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2010)011-089-02

LED(Light Emitting Diode)是中文发光二极管的英文缩写，LED发光二极管是由元素周期表中的Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、OaAsP(化镓)等半导体制成的，其核心是PN结，它是一种固态半导体器件，是否可以直接把电能转化为光能?要弄清该问题，首先要理解半导体的导电原理。还要弄清晶体二极管PN结的导电特性。

1　半导体及其分类

何谓半导体?半导体(semiconductor)，指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。自然界中，我们通常把导电和导热性差的材料，如金刚石、陶瓷、塑料等称为绝缘体。把导电、导热性都比较好的金属如金、银、铜、铁、铝等称为导体。而把导电、导热性能介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。

半导体室温时电阻率介于金属和绝缘体之间(约为10-5～107欧・米)并有负的电阻温度系数，温度升高时电阻率随之减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

2　半导体的晶格完整性与导电能力的关系

本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子，空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子，空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子再落入空穴，电子一空穴对消失，称为复合。在一定温度下，电子，空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，激发电子跃迁会产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无杂质、无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率极大。

杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。杂质半导体中的杂质原子取代了本征半导体晶格中的原子后，杂质原子干扰了原本征半导体晶格的周期性势场，使能级发生了改变。因掺AⅦ族与V族杂质元素的不同，而分为P型和N型半导体，微量杂质对半导体电阻率的影响非常大。

N型半导体：在纯净的四价元素锗或硅晶体中掺入微量五价元素(如磷、砷、锑等)，少许杂质原子取代了晶格中锗或硅原子的位置，就形成了N型半导体。N型半导体中，杂质原子的五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，该多余电子能级位于禁带上方靠近导带底附近，因此该多余电子很易被激发到导带成为电子载流子即自由电子。N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，空穴为少数载流子。N型半导体靠自由电子导电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体：在纯净的锗或硅晶体中掺入微量三价杂质元素(如硼、铝、镓等)，使之取代晶格中锗或硅原子的位置，杂质原子与周围四个锗或硅原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，形成P型半导体。P型半导体中，杂质原子近处的电子空位的能量状态通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质原子近处电子空穴能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流予。因三价杂质原子的存在，在价带中形成空穴载流子所需能量比本征半导体形成空穴要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。P型半导体空穴的浓度大于自由电子的浓度，称为多数载流子，自由电子为少数载流子。P型半导体靠空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能也就越强。

显然：半导体中多数载流子的浓度决定于杂质元素浓度；少数载流子的浓度决定于温度。

3　PN结与二极管

P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要相向扩散(如图1)，造成正负电荷在PN结两侧的积累，形成电偶极层(如图2)。电偶极层中的自建电场(方向N区-P区)会阻止扩散的进一步进行，当由于载流子密度不等引起的扩散作用与电偶极层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电贽差。由于P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合，导致电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是原来P型N型半导体原有阻值的几十倍乃至几百倍。晶体二极管就是由P型半导体和N型半导体形成的PN结，简称二极管(diode)。当PN结的外界加有正向电压时，外界电场与自建电场互相产生抑消作用――导致阻挡层变薄，使载流子的扩散作用增强形成正向电流。当外界加有反向电压时，外界电场与自建电场方向相同，等于进一步加强了自建电场(导致阻挡层变厚)，使载流子的扩散严重受阻，在一定反向偏置电压范围内，反向偏置电流几乎为零。所以，PN结具有单向导电性。当外加的反向偏置电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值发生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，会形成数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

4　LED的发光原理

LED发光二极管不但具有一般PN结的电学特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

LED加正向电压后，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图3所示。就能源源不断地从相对的方向将大量的多数空穴载流子与大量的多数电子载流子分别注入PN结，大量的空穴，电子载流子在PN结中复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入载流子的电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当电流从LED阳极(P区)流向阴极(N区)时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的颜色与LED的晶体材料种类有关，光的强弱与电流强度有关。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240，Eg(nlTl)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光～780rim红光)，半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光LED发光二极管，但其中蓝光LED发光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

综上所述，LED直接把电能转化为光能，是人们认识了本征半导体导电特性之后，有意识地改造本征半导体制作出了全新的P型和N型杂质半导体，利用P型半导体中多数空穴载流子与N型半导体中多数电子载流子在PN结里复合而释放光子能量。