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深度剖析:蓝光发光二极管“光环”萦绕

导读: 对于直接带隙半导体来说,发射光子的能量和半导体的禁带宽度直接相关。理论上氮化镓的禁带宽度为3.44eV,出射光子的能量也是3.44eV,相当于360nm左右波长的近紫外光,这是中村等人研究的氮化镓系半导体用于短波段可见光发光二极管的理论基础。

  2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位日本科学家,以表彰他们在蓝光LED上所作的研究。

    1.Bluelight-emittingdiode——宽禁带半导体PN结注入式电致发光

  LED的原文“light-emittingdiode”中,diode意为二极管,这将半导体PN结的注入式电致发光,与交流高压电场下的电致发光现象(EL发光线)区别开来。

  前者也就是今天使用的发光二极管的原理:当PN结正向偏置时,注入的少数载流子在界面附近与多数载流子复合并放出能量。在普通的二极管里,能量多以晶格振动(热能)的形式释放,而在发光二极管中载流子复合放出的能量部分以光子形式放出——电能转换成了光能。

  常用的LED材料,如氮化镓(GaN)等,都是直接带隙半导体。它们的导带电子可以直接跃迁到价带与空穴复合,过程中只涉及电子-空穴对并放出一个光子。所以,它们的辐射效率很高,内部量子效率可以接近100%,也就是一次电子空穴对复合产生一个光子。硅、锗等间接带隙半导体在复合过程中有大量的非辐射复合,量子效率不高。

  对于直接带隙半导体来说,发射光子的能量和半导体的禁带宽度直接相关。理论上氮化镓的禁带宽度为3.44eV,出射光子的能量也是3.44eV,相当于360nm左右波长的近紫外光,这是中村等人研究的氮化镓系半导体用于短波段可见光发光二极管的理论基础。

  常用的蓝光LED里半导体材料的禁带宽度略小,出射光波长在460nm左右,实际工作压降稍大于半导体材料的禁带宽度,大约3.0~3.3V。作为对比,发出780nm红光的磷化铝铟镓(AlGaInP)LED一般只需要1.8~2.0V的供电电压,这是因为所用半导体材料的禁带宽度较窄的缘故。

  这一特性对于应用来说,有利有弊。好处是直接获得光谱很窄的单色光源;光源的中心谱线可以通过能带工程调节;直接带隙半导体产生光子的效率很高,有利于提高整体光效;而坏处是,单一的LED无法得到多种波长的光线。

  氮化镓系LED的颜色分布。

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