半导体材料的导带有效状态密度是不是定值

根据公式Nc=2*(2*pi*mkT)^(3/2)/h³，（其中m为有效质量），在同种载流子的情况下（m相同），故仅与温度的3/2次方成正比。间接带隙半导体材料（如Si、Ge）导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。

LED的特性参数

3.1LED的效率[2]

3.1.1用于非显示的LED

用于非显示时，使用功率效率ηp与光学效率ηo。

1.功率效率ηp：即将输入的电功率Pi转换成辐射的功率Pe的效率。即

ηp=Pe/Pi×100%(3-1)

要提高ηp，就是要提高在一定电功率输入下的辐射功率输出，也就是减小器件的无用电功率损耗。如作好欧姆接触以减小焦耳热的损耗功率等。

2.光学效率ηo：即外量子效率ηqe与内量子效率ηqi的比。即

ηo=ηqe/ηqi (3-2)

光学效率可用来比较外量子效率的相对大小。所谓量子效率是指注入载流子复合而产生的光量子的效率。但由于内吸收和外反射等原因，使得产生的光量子效率等于辐射复合所产生的光子数N1T与激发时注入的电子空穴对数G之比。即

ηqi=N 1T/G (3-3)

由于半导体材料的折射率较高，反射和吸收的损失很大，所以辐射复合所产生的光量子不能全部射出器件之外。外量子效率是射出的光子数NT与注入的电子空穴对数G之比。即

ηqe=NT/G (3-4)

3.1.2用于显示的LED

用于显示的LED，有实际意义的是流明效率ηL（光度效率或发光效率）。即用人眼衡量的效率，它表示消耗单位电功率Pi所得到的光通量F。即

ηL=F/Pi(lm/W) (3-5)

ηL=ηp�6�1ηb (3-6)

而

式中，ηb为照明功率，它是辐射功率转换成光通量的效率。即

ηb=F/Pe(lm/W)(3-7)

显然，提高ηL的方法就是提高ηp和ηb。即使发射光谱与视见函数有最大的重迭。

3.2发光光谱

发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。[3]它直接决定着LED的发光颜色并影响它的流明效率。发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。

对于辐射跃迁所发射的光子，其波长λ与跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为

λ=hc/ΔE。对于发光二极管，复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽度决定的。对大多数半导体材料来讲，由于折射率较大，在发射逸出半导体之前，可能在样品内已经过了多次反射。因为段波光比长波光更容易被吸收，所以峰值波长相应的光子能量比禁带宽度小些。例如GaAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。图3-1给出了GaAs0.6P0.4和的发射光谱。当GaAs1–xPx中的x值不同时，峰值波长在620～680nm之间变化，谱线半宽度大致为20～30nm。GaP发光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。

图3-1 GaAs0.6P0.4与GaP的发光光谱

峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增长而减少。在结温上升时，谱带波长以0.2～0.3nm/℃的比例向长波方向移动

3.3伏安特性

LED的伏安特性如图3-2所示,它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。[4]这时正向电流与电压的关系为

i =i0exp(eV/mkT) (3-8)

式中，m为复合因子。在宽禁带半导体中，当电流i＜0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m =2。电流增大后，扩散电流占优势时，m =1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。

反向击穿电压一般在-1.5V以上。

图3-2 发光二极管的伏安特性曲线

3.4发光亮度与电流的关系[2]

LED的发光亮度B是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度B与电子扩散电流idn之间有如下关系：

B ∝idnτ/eτR (3-9)

式中，τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射寿命τNR的函数。

图3-3 GaAs1–xPx、Ga1-xAlxAs和GaP发光二极管的亮度与电流密度的关系

图3-3给出了GaAs1–xPx、Ga1-xAlxAs和GaP（绿）发光二极管的亮度与电流密度的关系。这些亮度随电流密度近似成正比增加而不易饱和的管子，适合于在脉冲下使用。因为脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流电流相等的情况下可以得到更高的亮度。

3.5LED的寿命

LED的寿命定义为亮度降低到原有亮度的一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于1A/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大。老化变快，寿命变短。

3.6响应时间

在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮（上升）与熄灭（率减）时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般都很短，如GaAs1–xPx仅为几个ns,Gap约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。

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