1）LED发光基本原理

当加上正向偏压时，在外电场的作用下，削弱了内电场，于是内电场对扩散运动的阻碍减弱，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散，构成少数载流子的注入，从而PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能或者部分热能和部分光能的形式辐射出来（见图3-1）。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。

图31　LED发光基本原理

2）直接带隙半导体和间接带隙半导体

（1）直接带隙半导体

直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在K空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量Eg（见图3-2a）。直接带隙半导体包括GaAs、InP、InSb等。

图3-2　直接带隙和间接带隙示意图

直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中动量可保持不变——满足动量守恒定律。因此，直接带隙半导体复合时发光效率高。

（2）间接带隙半导体

间接带隙半导体材料导带最小值和满带最大值在K空间中不同位置。电子在K状态时的动量是（h／2π）K，K不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。间接带隙半导体主要包括Ge、Si等。

在间接带隙半导体中发生的非竖直跃迁是一个二级过程，发生的概率比竖直跃迁要小得多。会有极大的概率将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放掉。另一方面，对于间接跃迁型，导带的电子需要动量与价带空穴复合，因此难以产生基于再结合的发光。

3）LED发光颜色

LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，发射的是非相干光。(www.daowen.com)

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1 240／Eg（mm）。式中，Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光［波长在380（紫光）～780 nm（红光）］，半导体材料的Eg应在3.26～1.63 eV。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。常见各种LED材料及发光颜色见表3-1。

表3-1　LED材料与产生光的颜色

4）白光二极管

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。表3-2表示了白光LED的发光原理和类型。目前，产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；二是将几种发不同色光的芯片封在一起，构成发白光的LED，即多芯片型。

表3-2　白光LED发光原理和类型

（续表）

单芯片型结构又可分为三种：将蓝色LED InGaN芯片与钇铝石榴石（YAG）荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN（蓝光峰值430 nm或470 nm）与红色（650 nm）和绿色（540 nm）荧光粉组成三基色白光LED；利用蓝色ZnSe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光；用InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。而对于多芯片型，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED芯片组成一组，实现白光（见图3-3）。

图3-3　白光LED发光原理示意图（来自Lumileds）

目前主要的商品化做法是日亚化学（Nichia）以460 nm波长的InGaN蓝光芯片涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555 nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。