《光發(fā)射二極管》PPT課件

第六章第九節(jié),光發(fā)射二極管LED,LED是light-emittingdiode的縮寫(xiě)，在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。,6.9.1LED原理,Fig6.43,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),最簡(jiǎn)單的LED的結(jié)構(gòu)：在適當(dāng)?shù)囊r底上（GaAs、GaP）上面生長(zhǎng)一層摻雜的半導(dǎo)體層。一般是采用外延方式及接著襯底晶體的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。然后再通過(guò)生長(zhǎng)出另一層P型摻雜的外延層就形成了pn+節(jié)。如果外延層和襯底晶體的晶格參數(shù)不匹配，易產(chǎn)生促進(jìn)無(wú)輻射EHP復(fù)合過(guò)程的晶格缺陷。因此，實(shí)現(xiàn)LED外延層與襯底之間的晶格匹配非常重要。例如在GaAs襯底上生長(zhǎng)AlGaAs外延層有很好的晶格匹配，可制作高效率的LED芯片。,Fig6.44,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),直接帶隙半導(dǎo)體材料就是導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。間接帶隙半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿帶最大值在k空間中不同位置。形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動(dòng)量。間接帶隙半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿帶最大值在k空間中不同位置。電子在k狀態(tài)時(shí)的動(dòng)量是（h/2pi）k，k不同，動(dòng)量就不同，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)必須改變動(dòng)量。LED發(fā)光可以是直接帶隙間的躍遷復(fù)合，也可以是通過(guò)間接帶隙間的復(fù)合中心復(fù)合。,Fig6.45,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),外部效率：表示將電能轉(zhuǎn)化為外部光能的效率。在近日東京的舉辦的“nanotech2009國(guó)際納米技術(shù)綜合展”上，面向新一代照明用LED，東芝展出了正在開(kāi)發(fā)的近紫外LED。其外部量子效率較高，達(dá)到了36%。發(fā)光波長(zhǎng)為380nm。為了提高發(fā)光效率，抑制了GaN結(jié)晶的缺陷，提高了平坦性。,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),異質(zhì)結(jié)【heterojunction】?jī)煞N不同的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域。按照兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)可分為同型異質(zhì)結(jié)（P-p結(jié)或N-n結(jié)）和異型異質(zhì)(P-n或p-N)結(jié)，多層異質(zhì)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常形成異質(zhì)結(jié)的條件是：兩種半導(dǎo)體有相似的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子間距和熱膨脹系數(shù)。利用界面合金、外延生長(zhǎng)、真空淀積等技術(shù)，都可以制造異質(zhì)結(jié)。雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以增加LED輸出光的強(qiáng)度。如下圖中的寬禁帶AlGaAs層扮演了將所注入的電子限制在p-GaAs層的限制層的角色。,6.9.2異質(zhì)結(jié)高亮度LED,Fig6.46,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Adoubleheterostructurediodehastwojunctionswhicharebetweentwodifferentbandgapsemiconductors(GaAsandAlGaAs).(b)Asimplifiedenergybanddiagramwithexaggeratedfeatures.EFmustbeuniform.(c)Forwardbiasedsimplifiedenergybanddiagram.(d)ForwardbiasedLED.SchematicillustrationofphotonsescapingreabsorptionintheAlGaAslayerandbeingemittedfromthedevice.,LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和特有的光學(xué)特性：光譜特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布主要決定于制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式關(guān)系較小。,6.9.3LED的特性,Fig6.47,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Energybanddiagramwithpossiblerecombinationpaths.(b)EnergydistributionofelectronsintheCBandholesintheVB.Thehighestelectronconcentrationis(1/2)kTaboveEc.(c)Therelativelightintensityasafunctionofphotonenergybasedon(b).(d)Relativeintensityasafunctionofwavelengthintheoutputspectrumbasedon(b)and(c).,Fig6.48,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)Atypicaloutputspectrum(relativeintensityvswavelength)fromaredGaAsPLED.(b)Typicaloutputlightpowervs.forwardcurrent.(c)TypicalI-VcharacteristicsofaredLED.Theturn-onvoltageisaround1.5V,LED熱學(xué)特性：小電流下，LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長(zhǎng)就會(huì)紅移，亮度會(huì)下降，發(fā)光均勻性、一致性變差。這種效應(yīng)在點(diǎn)陣、大顯示屏尤其明顯。點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性影響更為顯著。所以散熱設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。,TheoutputspectrumfromAlGaAsLED.Valuesnormalizedtopeakemissionat25oC,P4726.4二極管的溫度特性1.反偏電流對(duì)溫度的敏感度（略）2.正偏時(shí)，每單位溫度變化引起pn結(jié)上電壓的變化P477三元合金AlxGa1-xAs的帶隙Eg遵循的關(guān)系式。,我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,LED照明產(chǎn)業(yè)在迎來(lái)一個(gè)發(fā)展良機(jī)的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了行業(yè)存在的一些嚴(yán)重阻礙行業(yè)發(fā)展的問(wèn)題。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到5000億元，產(chǎn)業(yè)面臨著巨大商機(jī)。中國(guó)民營(yíng)科技促進(jìn)會(huì)經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)仍面臨諸多困局，甚至已經(jīng)形成制約產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的桎梏。產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高商業(yè)化應(yīng)用推廣舉步維艱國(guó)家在去年已經(jīng)啟動(dòng)“十城萬(wàn)盞”LED節(jié)能計(jì)劃，目前已經(jīng)有42個(gè)城市列入該計(jì)劃。不過(guò)，除了裝飾用的LED照明已經(jīng)逐步普及化外，至今絕大部分的LED通用照明應(yīng)用還局限于政府示范工程。市場(chǎng)推廣難的主要原因是LED照明產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高。由于芯片在LED產(chǎn)品成本中占30%甚至更高，而我國(guó)照明級(jí)高端LED芯片主要依靠進(jìn)口，價(jià)格較為昂貴，造成同等光照亮度的LED照明產(chǎn)品的價(jià)格居高不下，對(duì)普通的消費(fèi)者沒(méi)有較大吸引力。,產(chǎn)品同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈缺乏龍頭企業(yè)及主導(dǎo)品牌中國(guó)LED行業(yè)企業(yè)數(shù)量眾多，整體已取得較大進(jìn)步，但企業(yè)規(guī)模普遍偏小，缺乏龍頭企業(yè)。隨著大部分LED廠家將產(chǎn)品前期研發(fā)和主要模塊生產(chǎn)交與方案商，LED準(zhǔn)入門(mén)檻降低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。目前國(guó)內(nèi)有1950家LED封裝企業(yè)，而企業(yè)推出的各類LED應(yīng)用新產(chǎn)品數(shù)量不足530件；LED路燈企業(yè)超過(guò)300家，產(chǎn)品基本處于互相抄襲模仿的階段。同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)造成價(jià)格戰(zhàn)硝煙四起，缺少標(biāo)桿性的品牌，企業(yè)規(guī)模難以壯大，行業(yè)缺乏公信力。培植龍頭企業(yè)，加快自主品牌建設(shè)已迫在眉睫。,產(chǎn)業(yè)投資過(guò)熱盲目低水平重復(fù)建設(shè)世博、亞運(yùn)、“十城萬(wàn)盞”政策推進(jìn)，LED市場(chǎng)需求大增。多個(gè)地市將LED產(chǎn)業(yè)作為支柱性產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)LED市場(chǎng)前景樂(lè)觀，海內(nèi)外投資兼并整合上下游企業(yè)進(jìn)程加速，傳統(tǒng)照明企業(yè)、國(guó)有資本、民間資本等也紛紛進(jìn)入，出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)投資熱潮。以上游的外延片生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備MOCVD為例，2010年到廠安裝進(jìn)口設(shè)備達(dá)300臺(tái)，未來(lái)3年全國(guó)計(jì)劃進(jìn)口超過(guò)1000臺(tái)，是2008年的10倍以上。未經(jīng)科學(xué)決策和合理規(guī)劃LED產(chǎn)業(yè)布局，大規(guī)模集中引進(jìn)MOCVD關(guān)鍵設(shè)備，可能導(dǎo)致低端芯片產(chǎn)能大爆發(fā)，LED產(chǎn)業(yè)可能重蹈我國(guó)2008、2009年多晶硅投資熱失敗的覆轍。,缺乏關(guān)鍵技術(shù)和核心專利專利技術(shù)是全球主要LED廠商獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、保持市場(chǎng)份額的重要手段。國(guó)內(nèi)LED專利技術(shù)構(gòu)成不完善，上游專利大部分被國(guó)外廠商所掌握，技術(shù)受制于人，高端芯片8