LED芯片的发光原理

admin

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 [size=1.21em]E=hν=hcλE=hν=λhc​，与半导体材料的带隙能量 [size=1.21em]EgEg​ 直接相关：
  • ‌蓝光LED‌：InGaN量子阱（[size=1.21em]Eg≈3.0−3.4 eVEg​≈3.0−3.4eV，对应波长450-480 nm）。
  • ‌红光LED‌：AlGaInP（[size=1.21em]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。