Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 半导体发光二极管
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jun  1 09:23:01 2003)

导体发光二极管和注入式半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注

入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么产格，而且无粒子数反转、谐振腔

等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。由于它的结构简单，体积小，工

作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。发光二极管按发

光波长来分，有红外发光二极管和可见光发光二极管（LCD）两种。它们的结构原理都是

类似的，下面着重以红外发光二极管为例作一介绍。
1．发光二极管的发光原理
    发光二极管的发光原理同样可以用前图PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二

极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁

移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当

给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在

PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这

种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg，即
λ＝1.24μm·eV/Eg
由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光

。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，例如，有的具有很复杂的能带结构，相应的还

有间接跃迁辐射等，因此有各种各样的发光二极管。
2．发光二极管的主要特性
  （1）伏安特性
    通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为发光二极管的伏安

特性。图中，UT为开启电压。U＞UT时，二极管导通发光。U＜UT时，二极管截止不发光

。UT的大小与材料、工艺等因素有关。一般GaAs管的UT约为1.3V；GaP管的UT约为2V；G

aAsP管的UT约为1.6V；GaAlAs管的UT约为1.55V。
  （2）发光亮度
各种发光二极管发光出射度与电流密度的关系曲线
    发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的（上图给出的是各种发光二极

管的光出射度与电流密度关系），由图可见，一般管的发光亮度都与电流密度成正比例

，只有”GaP红”的发光亮度略有随电流密度的增加而趋于饱和的现象。亮度正比于电流

密度这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相

等的情况下，获得很高的亮度。
  （3）光谱特性
几种LED的光谱特性曲线
    发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它

光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可认为

是单色光。其它发光二极管的光谱特性曲线示于上图。
  （4）温度特性
发光电流与温度的关系曲线
    温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程

度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。
  （5）时间响应
    这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。发光二极管的响应

时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑

到脉冲宽度、空度比与响应时间的关系。
  （6）寿命
    发光二极管的寿命都很长，在电流密度j＝1A/cm2的情况下，可达106h以上。不过，

电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短

。
3．发光二极管的使用要点
  （1）开启电压
    发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类似。只是正向开启电压

一般都比普通的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。
  （2）温度特性
    利用发光二极管和硅的受光器件进行组合使用时，应注意到二者的温度特性是相反

的。温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。而硅的受光器件，光电

转换效率却是增加的。所以使用时，应把二者放到一起考虑，注意其组合后的整体温度

特性。
  （3）方向特性
    发光二极管一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应注意到这一

结构上的特点。发光管与受光管二者对得不准时，效果会变得很差。

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