红外发光二极管（IR LED）是现代电子设备中不可或缺的光电子器件，广泛用于遥控、传感、通信等领域。其核心在于将电能高效转化为特定波长的红外光。理解其工作原理，需深入探究半导体内部的光发射物理过程。
本文将围绕载流子行为、能带跃迁及器件结构展开，揭示红外光产生的奥秘。
核心原理：半导体PN结的发光本质
红外发光二极管的基础是一个特殊的半导体PN结。当施加正向偏压时，发生关键的载流子注入与复合过程。
载流子注入与复合发光
- 正向电压驱动电子从N区向P区移动。
- 同时驱动空穴从P区向N区移动。
- 注入的电子与空穴在PN结附近区域（耗尽区或扩散区）相遇。
- 电子从导带跃迁回价带，与空穴复合。
红外光的产生
- 复合过程释放的能量以光子形式辐射出来。
- 光子能量(E)由其波长(λ)决定：E = hc/λ (h为普朗克常数，c为光速)。
- 红外LED使用的半导体材料（如砷化镓铝 – AlGaAs）具有特定的带隙能量。
- 该带隙能量对应释放光子的波长恰好落在红外光谱范围内（通常为700nm至1mm，常见于850nm, 940nm等）。
深入机制：能带理论与光发射效率
光发射并非电子-空穴复合的唯一结果。理解不同复合途径是提升IR LED效率的关键。
辐射复合与非辐射复合
- 辐射复合：电子与空穴直接复合，能量以光子释放。这是产生红外光的理想过程。
- 非辐射复合：能量通过晶格振动（声子）或缺陷释放，转化为热能而非光。这是需要极力抑制的损耗途径。
影响效率的关键因素
- 半导体材料质量：晶体缺陷、杂质是非辐射复合中心的主要来源。高质量外延生长工艺至关重要。
- 掺杂浓度与分布：优化的掺杂设计能提高载流子注入效率，使复合更多发生在有效区域。
- 器件结构设计：如采用异质结结构，能有效限制载流子在发光区内复合，减少溢出。
器件实现：从原理到实用红外LED
将光发射原理转化为实用器件，需要精密的材料工程和结构设计。
材料选择与带隙工程
- 红外LED常用III-V族化合物半导体，如GaAs、AlGaAs、InGaAs等。
- 通过调整材料组分（如Al在AlGaAs中的比例），可精确调控带隙能量，从而决定发射红外光的中心波长。
- 材料需具备良好的载流子迁移率和发光效率。
基本器件结构与封装
- 核心是外延生长形成的PN结或异质结发光层。
- 结构包含衬底、N型层、有源发光区、P型层及电极。
- 封装不仅提供保护，其透镜设计也影响光束角度和光强分布。常见封装形式有直插式、贴片式等。
红外发光二极管作为光传感器、光电耦合器、红外照明等应用的核心光源，其性能直接影响系统表现。理解其工作机理是选型与设计的基础。
总结
红外发光二极管的核心工作原理基于半导体PN结在正向偏压下的电致发光效应。电子与空穴的注入并在结区附近发生辐射复合，释放的能量以红外光子形式发射。材料本身的带隙能量决定了红外光的波长。
提高器件效率的关键在于优化材料质量、掺杂结构及异质结设计，最大化辐射复合比例，抑制非辐射复合损耗。其紧凑、高效、可控的特性，使其成为众多光电子系统中不可或缺的红外光源。
