LED 是在半导体 PN 结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光、红外线、紫外线的器件。LED 作为一个电致发光的 PN 结器件，其特性可用 PN 结的电学参数或发光器件的光学参数来描述。
6.1.1 LED 发光原理LED 的关键是发光芯片，发光芯片的关键是 PN 结。如图 6-1 所示，LED 的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的芯片，在 P 型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层，称为 PN 结。LED 除具有一般二极管正向导通、反向截止或击穿的整流特性外，在正向导通时注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，把电能直接转换为光能，发出各种波长（颜色）的光。LED 发光波长主要由 PN 结之间插入的多量子阱组分决定，这种插入的多量子阱结构可以提高发光效率。也可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅大小来发出各种颜色的光线，且彩度更高。光的强弱与电流大小有关。
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图 6-1 LED 芯片的 PN 结示意图
1．LED 发光的复合理论
独立的 P 型和 N 型半导体的能带结构如图 6-2（a）所示。当 P 型和 N 型半导体接触后，P 型半导体的空穴向 N 型一侧扩散，界面的 P 型一侧因失去空穴带负电；而 N 型半导体的电子向 P 型一侧扩散，界面的 N 型一侧因失去电子而带正电。界面两侧的正电区和负电区形成电场效应，阻止多数载流子向另一侧进一步扩散，直到多数载流子停止扩散达到电学平衡状态。平衡状态的界面两侧，多数载流子不能停留在电场中，就分别形成带正电和带负电的耗尽层（空间电荷层），称为 PN 结的势垒区。如图 6-2（b）所示，这些空间电荷使半导体的能带发生弯曲，相应的势垒高度为VD。VD一般为零点几 eV。
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图 6-2 PN 结的基本原理
如图 6-2（c）所示，外加正向电压V（P 型端为正），PN 结势垒降低到（VD−V）。空间电荷区的电子流向 P 层，空穴流向 N 层。在图 6-2（c）中，P 区导带新增的电子数为(Δn)p，N 区价带新增的空穴数为(Δp)n。因为 P 区和 N 区没有电场，这些新增的少数载流子仍然按其浓度梯度向前扩散，在扩散的过程中逐步与多数载流子发生复合，形成正向电流。在复合过程中产生的多余能量，如果以辐射方式释放，就会发射出电磁波。电磁波的频率处于可见光的频段，就产生可见光。这些光的一部分在内部被吸收转化为热，剩下的部分逸出可被观察到。如果加反向电压，PN 结势垒高度增加，空间电荷区变宽，产生极其微弱、不随外加电压改变的「反向饱和电流」，PN 结处于截止状态。
LED 发光是在外加电场的激发下，在 PN 结中产生少数载流子，产生浓度超过热平衡值的电子和空穴对。具有较高能量的电子将回到较低能量的平衡态并与空穴复合。这种复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合是 LED 发光的基础。辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间能级来产生。这些缺陷或杂质称为发光中心。按电子跃迁的方式可把辐射分成带间复合和非带间复合（间接复合）。带间复合是指导带中的电子直接与价带中的空穴复合，产生的光子能量近似为半导体材料的禁带宽度Eg。GaAs、InP 等半导体材料的价带极大值与导带极小值对应于同一位置（零动量位置），相应的能带称为直接带隙半导体能带，如图 6-3（a）所示。在直接带隙半导体的电子能量E(k)与波数K的关系曲线中，导带极小与价带极大具有相同的K值，电子与空穴在这种材料中的复合为二体过程，辐射效率不高。如果半导体材料的E(k)～K曲线中，导带极小与价带极大对应不同的K值，就称为间接带隙半导体能带。带间复合必须涉及一个声子（晶格振动）之类的第三者粒子以保持动量守恒。间接跃迁动量不守恒，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子从而达到动量守恒。但这种三粒子过程中电子 − 空穴复合的概率比直接带隙材料小 2～3 个数量级。Si、Ge、GaP 等属于间接带隙半导体材料，相应的能带如图 6-3（b）所示。
非带间（间接）复合是非平衡载流子通过禁带中的能级（复合中心）进行的复合。当杂质是发光中心时，它们还支配着辐射复合过程，杂质取代晶体内部的基质原子，其位置不规则，因而会形成周期性排列。杂质能级在动量空间扩展开，特别是出现在K=0 处（说明杂质能级与半导体的价带顶或导带底具有相同的动量），这说明为何含有杂质能级的跃迁能如此有效。复合的辐射部分可以发生在从导带到受主或从施主到价带，跃迁更经常地发生在施主和受主能态之间，因为它们分别单独为电子和空穴提供低能态。
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图 6-3 两种带间复合
在半导体 Ⅲ～Ⅴ 族化合物（如 GaP）中，特定的杂质通常从 Ⅵ 族施主 Te、Se 和 S，以及 Ⅱ 族受主 Zn、Cd 和 Mg 中挑选。这种半导体材料（GaP）在常温下通过激子（指电子处于激发状态但不能自由行动时，被空穴所产生的库仑场俘获的原子或分子）来进行非间带复合跃迁。如果在 Ⅲ～Ⅴ 族化合物中选用与基质晶体同样电子结构的元素掺杂，使之置换基质晶体元素的晶格点，由于它与基质晶体元素的电子亲和力不同，而对电子或空穴产生吸引作用，这样的势阱称为等电子势阱，这种材料是通过等电子势阱来进行带间复合跃迁的。如 GaP 中掺 N，N 置换 P，因为 N 和 P 为同一族，置换后呈电中性，由于 N 比 P 对电子的亲和力大，会俘获电子，其后又以库仑场俘获空穴，因此 N 也称为等电子受主。
不是通过光子辐射方式释放能量的复合称为非辐射复合。非辐射复合主要有俄歇复合、无辐射复合中心复合与多声子复合。俄歇复合是电子空穴复合时将能量通过碰撞转移给另一个载流子的过程，涉及 3 个粒子的相互作用，具体过程如图 6-4 所示。获得能量的这个载流子通过发射声子弛豫回到其初始能级，而不是发射光。无辐射复合中心复合是由于晶体缺陷和 Fe、Cu 一类的污染、深能级杂质等非辐射复合中心的存在，电子空穴复合时通过能隙中许多能量间隙小的能级进行发射多声子跃迁的过程。声子复合是由于晶体中存在的杂质和缺陷在能隙中分布着（呈）许多分立的能级，电子依次落入这些能级而连续发射多个声子，释放出能量的过程。杂质在半导体表面有一能态连续区（或准连续区），可以把导带和价带连接起来。通过表面态的复合，由声子发射耗散掉多余的能量。
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图 6-4 俄歇复合的过程
为提高发光亮度，P 型和 N 型半导体的掺杂浓度不能太高，也不能太低。掺杂浓度太低，与注入的少数载流子进行复合的多数载流子（即发光中心）太少，复合概率低。并且，载流子浓度低意味着串联电阻大，在大电流作用下会引起过多的发热和大的电压降。另外，掺杂浓度太高，由于「浓度淬灭」，在浓度接近杂质溶解度极限时会引起沉淀和金属络合物等冶金学缺陷，使半导体根本不会发光。通常，施主杂质浓度范围为 1017～10m−3，受主杂质浓度范围为 1018～1019cm−3。
半导体中的发光是原子能态之间辐射跃迁的结果。辐射复合速率是由高能态的电子密度、空着的低能态密度及这两种能态之间的跃迁概率三者的乘积决定的。因为半导体中相邻原子的间隔小（约为 5Å，1Å=10−10m），它们的轨道电子的波函数相互作用，只能形成允许的能带而不足以形成分离的能级（如在孤立的原子中），发光产生与带间的跃迁，所以发光不是单色的，而是扩展为几百 Å 宽的波长段。
2．结型电致发光机理
根据形成 PN 结的半导体材料的不同，LED 电致发光分为同质 PN 结注入式电致发光和异质 PN 结注入式电致发光。
LED 发光的波长λ（或频率v）取决于选用的半导体材料的能隙Eg（单位为 eV），具体关系见式（6-1）。其中，普朗克常数h=6.63×10−34J∙s，光速c=3×108m/s，电子电荷q=1.60×10−19C。可见光的波长范围为 380～780nm，相对应的能隙Eg范围为 1.6～3.3eV。
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（6-1）
Ⅳ 族半导体 Ge 和 Si 由于能隙太小并且是复合效率低的间接能隙，不能满足 LED 的发光要求。LED 使用的都是化合物半导体材料，并且大都采用直接带隙半导体材料，使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。目前，LED 和 LD 使用的是 Ⅲ 族和 Ⅴ 族元素的化合物。
P 区和 N 区为同种半导体材料的 PN 结称为同质结。载流子在同质结中的移动障碍小，电子空穴相遇而复合发光的概率低，即发光效率低。为了提高载流子注入效率，可以采用异质结，即 P 区和 N 区为不同种半导体材料的 PN 结。表示异质结时，除需要标明两种材料的导电类型外，通常还把禁带宽度较小的半导体材料写在前面，如 PN Ge-Si，NN Ge-Si，NP Ge-GaAs 等。异质结需要关注两种不同半导体材料性能参数的匹配等问题。
如图 6-5（a）所示，构成异质结的两种半导体材料的能隙大小不同，介电常数也不同。如图 6-5（b）所示，形成异质 PN 结后，电子和空穴具有不同高度的势垒。窄能隙一侧的势垒高，宽能隙一侧的势垒低。如图 6-5（c）所示，加正向偏置后，势垒减小。其中，电子的势垒变得非常小，电子不断从 N 区向 P 区扩散，得到高的注入效率。所以，这里的 N 区就是注入区。P 区的空穴注入 N 区的速率较小，这样 P 区的空穴就跃迁到导带与注入的电子复合，发射出由 P 型半导体能隙所决定的辐射。所以，这里的 P 区就是发光区。由于 N 区的能隙大，P 区所发射的光子能量比Er小得多，光子进入 N 区不会引起本征吸收而直接透射出 LED 外，减少光能的损失。
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图 6-5 异质 PN 结的能带图
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图 6-5 异质 PN 结的能带图（续）
6.1.2 LED 电学特性LED 是利用化合物材料制成 PN 结的光电器件，所以具备 PN 结型器件的电学特性。LED 显示屏的电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流及反向电压，通过 LED 电特性的测试可获得最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流等参数。此外，还可以获得 LED 的最佳工作电功率值。
1．LED 的I-V特性
LED 的I-V特性具有单向导电性和非线性。LED 外加正偏压表现低接触电阻的整流特性，外加负偏压表现高接触电阻的整流特性。在如图 6-6 所示的 PN 结I-V特性曲线中，可以划分为正向死区、正向工作区和反向死区、反向击穿区 4 个工作状态。涉及 LED 较为重要的电学参数有开启电压VO、正向电流IF、正向电压VF、反向电压VR。