admin 发表于 2025-3-19 10:15:04

LED芯片的发光原理

LED芯片的发光原理基于半导体材料中‌电致发光(Electroluminescence)‌的物理过程,其核心是‌PN结的载流子复合‌。以下是其详细机制与技术要点:‌1. 芯片核心结构‌LED芯片的核心是‌半导体PN结‌,通常由多层外延材料构成:
[*]‌N型层‌:掺杂施主杂质(如Si),提供自由电子。
[*]‌P型层‌:掺杂受主杂质(如Mg、Zn),提供空穴。
[*]‌有源层(发光层)‌:位于PN结之间,通常为‌量子阱结构‌(如InGaN/GaN),限制载流子运动,增强复合效率。
‌2. 发光过程分步解析‌‌(1) 载流子注入‌
[*]‌正向偏压驱动‌:当外加电压超过PN结的开启电压(约1.8-3.3V),势垒降低,电子从N区注入有源层,空穴从P区注入有源层。
[*]‌电流扩散设计‌:通过‌透明导电层(如ITO)‌或‌电极图形化‌,优化电流分布,避免局部过热。
‌(2) 载流子复合‌
[*]‌辐射复合‌:电子与空穴在有源层内复合,能量以‌光子‌形式释放。
[*]‌直接带隙半导体‌(如GaN、GaAs):复合时动量匹配,光发射效率高(>90%)。
[*]‌间接带隙半导体‌(如Si、Ge):需声子辅助,效率极低,故不用于LED。

‌(3) 光子发射‌
[*]‌波长由带隙决定‌:光子能量 E=hν=hcλE=hν=λhc​,与半导体材料的带隙能量 EgEg​ 直接相关:
[*]‌蓝光LED‌:InGaN量子阱(Eg≈3.0−3.4 eVEg​≈3.0−3.4eV,对应波长450-480 nm)。
[*]‌红光LED‌:AlGaInP(Eg≈1.9−2.2 eVEg​≈1.9−2.2eV,对应波长620-660 nm)。

[*]‌色调控技术‌:通过调整材料组分(如InGaN中In含量)或引入荧光粉(如YAG³⁺)实现全光谱覆盖。
‌3. 芯片设计与制造关键技术‌‌(1) 外延生长技术‌
[*]‌MOCVD(金属有机化学气相沉积)‌:在蓝宝石(Al₂O₃)、SiC或硅衬底上逐层生长GaN、InGaN等外延层,控制材料纯度与缺陷密度。
[*]‌应变工程‌:通过缓冲层(如AlN)缓解GaN与衬底的晶格失配,减少位错缺陷。
‌(2) 量子阱优化‌
[*]‌多量子阱(MQW)结构‌:多个薄层(约2-10 nm)交替堆叠,限制载流子,提升复合概率。
[*]‌极化效应管理‌:在GaN基LED中,利用压电极化场增强发光效率。
‌(3) 芯片结构创新‌
[*]‌垂直结构芯片‌(如GaN-on-SiC):提升电流扩展能力与散热性能。
[*]‌倒装芯片(Flip-Chip)‌:通过焊球将发光面朝下贴合基板,减少电极遮光,提高出光效率。
[*]‌Micro-LED‌:微米级芯片阵列,用于高分辨率显示。
‌4. 效率影响因素‌
[*]‌内量子效率(IQE)‌:由材料缺陷与非辐射复合决定,高质量外延层可达80%以上。
[*]‌光提取效率(LEE)‌:通过表面粗化、反射层(如DBR)、透镜设计等减少全反射损失。
[*]‌散热设计‌:高热导率基板(如铜、氮化铝)防止结温升高导致效率衰减(“光衰”)。
‌5. 实际应用要点‌
[*]‌驱动条件‌:需恒流驱动(如20mA-1A),避免电流波动影响寿命。
[*]‌封装保护‌:环氧树脂或硅胶封装防潮、防静电,并优化光场分布(如朗伯体发射)。
‌总结‌LED芯片通过‌正向偏压下PN结的载流子复合‌实现电-光转换,其性能由材料带隙、量子阱设计、制造工艺共同决定。从外延生长到芯片结构的创新(如量子阱、倒装设计)持续推动效率提升,使其成为照明、显示、光通信等领域的核心技术。
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