《涨知识啦14》影响发光二极管电压的因素

在前几期我们讲到了电子-空穴对的辐射复合（radiative recombination）可以引起二极管的发光效应。但只有当发光器件的驱动电压（drive voltage）和正向工作电压（forward voltage）都等于或大于器件禁带宽度Eg与单位电子e的比值（V≥Eg/e）时，才能引起电能向光能的能量转化。那么哪些因素会影响发光器件的电压呢？

首先，额外的串联电阻将会引起发光二极管额外的压降。引起额外电阻的因素主要包括：（1）接触电阻；（2）突变异质结引起的电阻；（3）材料内部由于低载流子浓度和低载流子迁移率引起的体电阻。以上串联电阻所引起的电压降可以用IRs表示。

其次，载流子在进入量子阱或双异质结结构时会损失能量。如下图所示的是量子阱结构正偏压情况下的载流子非绝热注入。当电子注入量子阱时，损失的能量为ΔEC-Ec0，ΔEC是异质结能带不连续所引起的势垒，Ec0是导带中能量最低的量子态值。类似的，空穴损失的能量为ΔEV-Ev0, ΔEV是异质结能带不连续所引起的势垒，Ev0是价带中能量最低的量子态值。当载流子进入量子阱时，会发生声子辐射而引起能量的损失，即载流子的能量转换成了热。在GaN等III族氮化物半导体中，非绝热注入所引起的载流子能量损失和能带不连续是密切相关的。

综上，正向偏置的发光二极管的电压降可以用下式表示：

上式右侧第一项是理论压降最小值；第二项是由串联电阻引起的电压降；第三项和第四项是载流子非绝热注入有源区所引起的电压降。

图1. 量子阱的化学组分示意图和能带图，载流子被量子阱捕获时会发生能量损失。

另外，相比于低能载流子，高能载流子更易于直接漂移到与其导电性相反的半导体材料一侧而发生复合。因此实验上观察到了发光二极管电压小于Eg/e的情况。例如在GaAs发光二极管（Eg=1.42 eV）中，在电压为1.32 V时就观测到了1.42eV的声子。

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