發光二極體（Light Emitting Diode）

發光二極體（Light Emitting Diode）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞研究生/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

發光二極體本質上是一pn接面二極體，典型上由直接能隙半導體構成，其電子電洞對(EHP)復合，並造成放射出光子，射出光子能量因此近似於能隙能量，圖顯示一個未加偏壓pn⁺接面元件能帶圖，其中n側相較於p側為重摻雜，能帶圖繪製時，須讓整個元件的費米能階維持一樣，這個要求是在平衡且不加外加偏壓下。pn⁺元件的空乏區主要延伸到p區，從n側E_c到p側Ec，有一位能障eV_o，那是△E_c=eV_o，其中V_o是內建電壓，在n側高濃度的導電即自由電子，使得導電電子由n側擴散到p側，然而，靜電子擴散被電子PE位障eV_o阻止。

外加一順向偏壓V，這個電壓降跨於空乏區，因為這是元件主要的電阻部份，當內建電未V_o=V_o-V，並允許n⁺的電子擴散注入到p側，注入電子在空乏區和中性p側復合導致光子自發發射，主要復合發生在空乏區內和電子擴散長度所示在p側體積內，這復合區經常被稱為主動區，光從EHP復合而發出的現象，是源自於少數載子注入，並被稱為電激發光，由於電子和電洞復合的統計本質，所發射的光子為隨意方向，是因為源自於自發發射過程，使得所發射的光子能從元件拖哩，而不被半導體材料再吸收。

LED典型由磊晶成長摻雜半導體層在一合適的基板上構成，此平面型pn接面，由先磊晶成長n層，然後為p層構成，基板實質上用來作為pn接面的機械支承，並可以為不同的材料，p側位於光發出的表面，因此做成狹窄大約幾個微米以允許光子脫離而沒有被再吸收；為了確定主要的復合發生在p側，n側需要重摻雜，那些往n側發射的光子，會被吸收或從基板界面反射回到表面，取決於基板厚度及LED的確切結構。假如磊晶層和基板晶體有不同晶格參數，則有一晶格不匹配於這兩晶體結構間，這造成晶格應力在LED層，並因此造成晶格缺陷，這樣的晶體缺陷會增加EHP非輻射的復合，缺陷可充當一復合中心；缺陷的減少可藉由晶格匹配LED磊晶曾到基板晶體，因此晶格匹配LED層到基板晶體是重要的。

參考資料：光電子學與光子學-原理與應用