關於LED的內量子效率與電光效率簡述及計算1論文

在LED的PN結上施加正向電壓時，PN結會有電流流過。電子和空穴在PN結過渡層中複合會產生光子，然而並不是每一對電子和空穴都會產生光子，由於 LED的PN結作為雜質半導體，存在着材料品質、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產生雜質電離、激發散射和晶格散射等問題，使電子從激發態躍遷到基態時與晶格原子或離子交換能量時發生無輻射躍遷，也就是不產生光子，這部分能量不轉換成光能而轉換成熱能損耗在PN結內，於是就有一個複合載流子轉換效率，並用符號nint表示。nint=（複合載流子產生的光子數/複合載流子總數）×100%當然，很難去計算複合載流子總數和產生的光子總數。一般是通過測量LED輸出的光功率來評價這一效率，這個效率nint就稱為內量子效率。提高內量子效率要從LED的製造材料、PN結外延生長工藝以及LED發光層的出光方式上加以研究才可能提高LED的nint，這方面經過科技界的不懈努力，已有顯著提高，從早期的百分之幾已提高到百分之幾十，有了長足的進步，未來LED發展，還有提高nint的很大空間。假設LEDPN結中每個複合載流子都能產生一個光子，是不是可以説，LED的電一光轉換效率就達到100%？回答是否定的。從半導體理論可以知道，由於不同的材料和外延生長工藝的不同，所製成的LED的發光波長是不同的'。假設這些不同發光波長的LED其內量子效率均達到 100%，但由於一個電子N型層運動到PN結有源層和一個空穴從P型層運動到PN結有源層，產生複合載流子所需的能量E與不同波長的LED的能帶位置相關都不一樣。

而不同波長的光子的能量E也是不同的，電能到光能的變換有必然的損耗，下面舉例加以説明 例如一個入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED，其正向偏置為VF≈2.2V，於是意味着它的一個電子與一個空穴複合成一個載流子所需的電勢能 ER=2.2Ev，而一個入D=630nm的光子的勢能為E=hc/入D≈1240/630≈1.97eV，於是電能到光能的轉換效率n(e- L)=1.97/2.2×100%≈90%，即有0。0.23eV的能量損失(eV為電子伏)。如果對一個GaN的藍光470nm的LED，則VF≈3.4V，於是EB≈3.4EeV，而EB≈1240/470≈2.64eV，於是Nb=2.64 /3.4×100%≈78%，這是在假定nint=100%時。若nint=60%，則對於紅色LED，n(e-L)=90%×60%=54%，而對於藍色LED則有n(e-L)B=78%×60%=47s%。可見，這就是LED的光一電轉換效率不是很高的原因。