LED发光原理（笔记）

LED芯片的制成材料
LED的核心发光材料主要是由元素周期表中宽禁带半导体材料，三至四族化合物，相关元素主要为镓、砷、铟，其中镓是一种银白色金属，最外层有3个电子，如果在硅基体中掺杂一点镓，晶体结构中一个镓替代一个硅，共价键中少了一个电子，多了一个空穴，就形成了P型半导体。
砷最外层有5个电子，在硅中掺杂一点砷，一个砷替代一个硅，多了一个电子，就形成N型半导体。

铟的最外层有三个电子，是制作P型半导体的重要材料。

LED的核心发光材料中，最具有代表性的是 GaN，它是第三代半导体材料，具有能隙更宽，介电常数更小，导热性能更好的特点，是制造高亮度蓝光LED和蓝光激光器的首选材料。
除此以外还有很多的二元系化合物，三元系化合物，四元化合物。

LED发光原理
为了更好地解释LED发光原理，先来介绍一下几个概念。
1.电子的公有化运动
一般的晶体结合形式有离子性结合、共价结合、金属性结合、分子结合。
半导体材料主要靠的是共价结合。
特点：饱和性（一个原子只能形成一定数目的共价键）
方向性（原子只能在特定方向上形成共价键）
单晶体是由靠的很紧密的原子呈周期性重复排列而成，相邻原子间距只有几个埃的量级。
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少，原子组成基体后，由于电子壳层的交叠，电子不在完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，那么这种原子核的外层电子在整个晶体中的运动，称为电子的公有化运动。
需要注意，原子包含原子核和核外电子两个部分。电子在原子核核势场的作用下依能量从低到高分别占据在不同的能级上，依次按1S;2S;2P;3S;3P;3d;4S等方式来占据，每个S、P、d壳层最多有2、6、10个电子占据。

只有相似壳层上的电子才具有相同的能量，因此电子只能在相似的壳层间转移。

2.能带
原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的，这些能量值就是能级。
当有N个相同的自由电子时，它们彼此相距很远以至于未形成晶体时，每个原子都是孤立的。当N个原子互相接近形成晶体时，相邻原子势发生重叠，原来束缚在单原子中的电子，由于泡利不相容原则，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个互相靠近的能级，因为能量差非常小，可以看成能量连续的区域，称为能带。
在孤立原子中，电子是从低能级向高能级依次向上填满。被填满的能带称为满带。

满带的最上层称为价带，在满带的上方具有一系列空的能带，最下层的空带我们称为导带，在价带和导带之间没有能带存在，我们称为禁带，禁带宽度用Eg表示。
3.LED发光过程
3.1 PN结形成

当一块本征半导体的两侧通过扩散渗入不同的杂质后，会分别形成N型半导体和P型半导体。
在两种半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子，而P型区内空穴为多子，在N区和P区的交界处会出现电子和空穴有浓度差，因而会有一些电子会从N区向P区扩散，也会有一些空会从P区向N区扩散，结果是P区失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子。
开路中半导体中的离子是不能任意移动动的，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P区和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区。
在空间电荷区形成以后，由于正负电荷之间的相互作用，在交界处会形成内建电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。
当空间电荷区的内建电场足够大时，载流子将不再进行扩散，而是会受到电场作用进行漂移。N区的空穴向P去漂移，P区的电子向N区漂移，漂移运动的方向正好和扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P去漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷区减少，内电池减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.当给PN结加上一个正向电压时