《漲知識啦14》—影響發光二極體電壓的因素
在前幾期我們講到了電子-空穴對的輻射復合（radiative
recombination）可以引起二極體的發光效應。但只有當發光器件的驅動電壓（drive voltage）和正向工作電壓（forward voltage）都等於或大於器件禁帶寬度eg與單位電子e的比值（v≥eg/e）時，才能引起電能向光能的能量轉化。那麼哪些因素會影響發光器件的電壓呢？
首先，額外的串聯電阻將會引起發光二極體額外的壓降。引起額外電阻的因素主要包括：（1）接觸電阻；（2）突變異質結引起的電阻；（3）材料內部由於低載流子濃度和低載流子遷移率引起的體電阻。以上串聯電阻所引起的電壓降可以用irs表示。
其次，載流子在進入量子阱或雙異質結結構時會損失能量。如下圖所示的是量子阱結構正偏壓情況下的載流子非絕熱注入。當電子注入量子阱時，損失的能量為δec-ec0，δec是異質結能帶不連續所引起的勢壘，ec0是導帶中能量最低的量子態值。類似的，空穴損失的能量為δev-ev0, δev是異質結能帶不連續所引起的勢壘，ev0是價帶中能量最低的量子態值。當載流子進入量子阱時，會發生聲子輻射而引起能量的損失，即載流子的能量轉換成了熱。在gan等iii族氮化物半導體中，非絕熱注入所引起的載流子能量損失和能帶不連續是密切相關的。
綜上，正向偏置的發光二極體的電壓降可以用下式表示：
上式右側第一項是理論壓降最小值；第二項是由串聯電阻引起的電壓降；第三項和第四項是載流子非絕熱注入有源區所引起的電壓降。
圖1. 量子阱的化學組分示意圖和能帶圖，載流子被量子阱捕獲時會發生能量損失。
另外，相比於低能載流子，高能載流子更易於直接漂移到與其導電性相反的半導體材料一側而發生復合。因此實驗上觀察到了發光二極體電壓小於eg/e的情況。例如在gaas發光二極體（eg=1.42 ev）中，在電壓為1.32 v時就觀測到了1.42ev的聲子。
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