如何提高LED内量子与电光转换效率

 

在LED的PN结上施加正向电压时,PN结会有电流颠末,电子和空穴在PN结过渡层中复合会孕育发生光子。但是并不是每一对电子和空穴都市孕育发生光子,因为PN结作为杂质半导体,存在着资料质量、位错要素以及工艺上的各种缺陷,会孕育发生杂质电离、激起散射和晶格散射等题目,使电子从激起态跃迁到基态时与晶格原子或离子交流能量时发作无辐射跃迁,也便是不孕育发生光子,这局部能量不转换成光能而转换成热能消耗在PN结内,于是就有一个复合载流子转换服从,以Nint标记示意。

Nint=(复合载流子孕育发生的光子数/复合载流子总数)×100%

固然,很难去盘算复合载流子总数和孕育发生的光子总数。普通是经过丈量LED输入的光功率来评价这一服从,这个服从Nint就称为内量子服从。

进步内量子服从要从LED的制造资料、PN结内涵发展工艺以及LED发光层的出光方法上加以研讨才大概进步LED的Nint,这方面颠末科技界的不懈高兴,已有明显进步,从晚期的百分之几已进步到百分之几十,有了长足的前进,将来LED开展,另有进步Nint的很大空间。

假定PN结中每个复合载流子都能孕育发生一个光子,是不是能够说,LED的电一光转换服从就到达100%? 答复能否定的。

从半导体实际能够晓得,因为差别的资料和内涵发展工艺的差别,所制成的LED的发光波长是差别的。假定这些差别发光波长的LED其内量子服从均到达100%,但因为一个电子N型层活动到PN结有源层和一个空穴从P型层活动到PN结有源层,孕育发生复合载流子所需的能量E与差别波长的LED的能带地位相干都纷歧样。而差别波长的光子的能量E也是差别的,电能到光能的变更有一定的消耗,上面举例加以阐明:

比方一个入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED,其正向偏置为VF≈2.2V,于是意味着它的一个电子与一个空穴复分解一个载流子所需的电势能ER=2.2Ev,而一个入D=630nm的光子的势能为E=Hc/入D≈1240/630≈1.97eV,于是电能到光能的转换服从N(E-L)=1.97/2.2×100%≈90%,即有0.0.23eV的能量丧失(EV为电子伏)。

假如对一个GaN的蓝光470nm的LED,则VF≈3.4V,于是EB≈3.4EeV,而EB≈1240/470≈2.64eV,于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%,这是在假定Nint=100%时。若Nint=60%,则关于赤色LED,N(E-L)=90%×60%=54%,而关于蓝色LED则有N(E-L)B=78%×60%=47s%。可见,这便是LED的光一电转换服从不是很高的缘由。

下面曾经理解到PN结有源层的电一光转换服从不是很高,有相称一局部电能没有转换成光能,而是转换成热能消耗在PN结内,成为PN结的发烧源。业界正在经过资料、工艺等机理上的高兴去进步这一服从。假如施加在LED上的电功率悉数酿成光子能量,那么要问:这些光子可否悉数逸出到氛围中“瞥见”?答复也能否定的。于是就有一个LED光子逸出率的题目存在。能够如许来示意LED中孕育发生的光子逸出到氛围中的比率。

Nout=(逸出到氛围中的光子数/PN结孕育发生的光子总数)×100%

以上公式能够为LED的内量子服从。为便当阐明,我们假定LED的资料为GaAs,其资料的折射系数为N1=3.9,与芯片打仗的界面是氛围,它的光折射系数N0=1,由光流传实际的光芒折射定律能够晓得,两种差别界面的折射系数不雷同时,其垂直于界面的光的反射函数可用下式来示意:

R(L)=[(N1-N0)/(N1+N0)]2×100%

关于GaAs与氛围,则有,

R(L)=[(3.9-1)/(3.9+1)]2×100%=35.02

这便是说,有35.02%的光子将被反射回GaAs资料中,即反射回芯片内,不可以逸出到氛围中,仅有64.98%有大概逸出到氛围中。但是,LED的发光如果一个点光源时,其边境全发射临界的半角Θc与界面两种资料的折射系数有关,并由以下公式肯定:Θc=Arcsin(Ndn1)

关于GaAs和氛围:Θc=Arcsin(1/3.9)=14.90°

边境全发射临界角为29.8°,超越这个角度不可以发射到氛围中,显然这对一个球面而言,这个角度仅8.27%的地区能全发射,显然内量子服从是极低的。

固然对LED芯片来说,它是一个六面体,并非点光源,在不计电极挡光时,这个六面体的六个面均可有一个全发莅临界角,共有49.6%的出光地区。究竟上,LED因为要引出电极、牢固在引线框架上等缘由,还做不到六个面出光,也便是达不到49.6%的全发射地区。LED内量子服从普通仅在20%阁下,它另有很大的提拔空间,便是要综合LED芯片构造、封装构造、资料折射系数等方面要素加以处理,来进步出光服从。

近几年因环保、节能、半导体的综合上风,LED代替传统光源已崭露头角,但需求LED的发光服从有更大的打破才能够完成普遍使用,要进步发光服从就跟以上内量子服从与电光服从痛痒相关!技能进步的同时动员本钱降落,半导体照明才能够发扬科技上风!

 

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