《涨知识啦12-LED》---多量子阱LED工作机制

《涨知识啦12-LED》---多量子阱LED工作机制

发光二极管又称LED(light-emitting diode)可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管和负阻发光二极管等多种类型，并且具有应用广泛、耗电量小、使用寿命长、无污染等特点。上期小赛向大家普及了LED的一些基本概念以及有源区微观复合机制，本期将继续给大家带来LED的工作机制。

众所周知，LED器件的核心结构组成就是大家耳熟能详的PN结（具体可参考往期推送），因此LED具有正向导通、反向截止和击穿等特性。图1展示了对直接带隙半导体PN结外加正向偏压时，n型区的电子和p型区的空穴会在外加电场的作用下进行输运。对于图1中的同质结结构，考虑到载流子的扩散长度，电子与空穴倾向在中性区跃迁牵手、发生带间复合，所产生的能量以光子的形式释放出去，这些光子从二极管中逃逸后，就成为了LED所产生的光。我们知道导带电子和价带空穴复合所产生的光子能量其离散值约为KT数量级，且能量峰值稍大于禁带宽度Eg。而在某些情况下，光子实际上是通过一个电子从能带中稍低于导带边的位置降落而产生的，有时会在复合前形成激子。当这种情况发生时，光子能量峰值稍小于禁带宽度Eg。总之，光子能量峰值一般都靠近Eg。那么输出波长的峰值为λ=1.24/Eg。值得注意是该种LED结构的发光效率极低，为此研究人员引入多异质结结构做LED的有源区来提高它的发光效率。

图1. 正向偏置中时，LED中载流子注入以及跃迁复合产生光子。

图2展示了具有多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs）结构的LED器件能带示意图。为了更好地增加有源区对载流子的捕获几率，提高辐射复合几率，研究人员人为地对LED有源区引入众多“凹坑”，即在有源区引入多异质结结构，且量子阱（quantumwell，QW）的禁带宽度Eg-QW小于量子垒（quantum barrier，QB）禁带宽度Eg-QB。当LED正向偏置时，电子与空穴在外加电场的作用下输运至多量子阱层，不同于同质结结构，电子与空穴将被高效地限制在一个近似二维的空间内，增大了电子和空穴波函数的重合率，提高了他们的复合发光效率。最后，小赛还想补充一句，对于一般直接带隙半导体材料，材料对应的发光波长的峰值λ与材料带隙可描述为λ=1.24/Eg，然而，当材料尺寸缩小至几纳米时（如量子阱层），量子效应引起的电子与空穴能级的变化要着重考虑噢，其对材料的发光波长具有重要的影响。

图2.LED中多量子阱能带结构。