提升LED内量子与电光转换效率之原理解析

在LED的PN结上施加正向电压时，PN结会有电流经过，电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子。然而并不是每一对电子和空穴都会产生光子，由于PN结作为杂质半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态时与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内，于是就有一个复合载流子转换效率，以Nint符号表示。

Nint=(复合载流子产生的光子数/复合载流子总数)×100%

当然，很难去计算复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率，这个效率Nint就称为内量子效率。

提高内量子效率要从LED的制造材料、PN结外延生长工艺以及LED发光层的出光方式上加以研究才可能提高LED的Nint，这方面经过科技界的不懈努力，已有显着提高，从早期的百分之几已提高到百分之几十，有了长足的进步，未来LED发展，还有提高Nint的很大空间。

假设PN结中每个复合载流子都能产生一个光子，是不是可以说，LED的电一光转换效率就达到100%? 回答是否定的。

从半导体理论可以知道，由于不同的材料和外延生长工艺的不同，所制成的LED的发光波长是不同的。假设这些不同发光波长的LED其内量子效率均达到100%，但由于一个电子N型层运动到PN结有源层和一个空穴从P型层运动到PN结有源层，产生复合载流子所需的能量E与不同波长的LED的能带位置相关都不一样。而不同波长的光子的能量E也是不同的，电能到光能的变换有必然的损耗，下面举例加以说明：

例如一个入D=630nm的GaInAlP四元橙色LED，其正向偏置为VF≈2.2V，于是意味着它的一个电子与一个空穴复合成一个载流子所需的电势能ER=2.2Ev，而一个入D=630nm的光子的势能为E=Hc/入D≈1240/630≈1.97eV，于是电能到光能的转换效率N(E-L)=1.97/2.2×100%≈90%,即有0.0.23eV的能量损失(EV为电子伏)。

如果对一个GaN的蓝光470nm的LED,则VF≈3.4V，于是EB≈3.4EeV，而EB≈1240/470≈2.64eV，于是Nb=2.64/3.4×100%≈78%，这是在假定Nint=100%时。若Nint=60%,则对于红色LED，N(E-L)=90%×60%=54%，而对于蓝色LED则有N(E-L)B=78%×60%=47s%。可见，这就是LED的光一电转换效率不是很高的原因。

上面已经了解到PN结有源层的电一光转换效率不是很高，有相当一部分电能没有转换成光能，而是转换成热能损耗在PN结内，成为PN结的发热源。业界正在通过材料、工艺等机理上的努力去提高这一效率。如果施加在LED上的电功率全部变成光子能量，那么要问：这些光子能否全部逸出到空气中“看见”?回答也是否定的。于是就有一个LED光子逸出率的问题存在。可以这样来表示LED中产生的光子逸出到空气中的比率。

Nout = (逸出到空气中的光子数/PN结产生的光子总数)×100%