半导体发光
摘要：本文从半导体的经典定义和能带定义出发，引出半导体的发展的历程。

然后过度到半导体材料的发光历史，及其发展现状。

通过与其它发光光源相对比，重点谈论了LED的优势，同时附带的指出了LED对解决能源和环境问题所做出的贡献。

最后从发光的本质出发，提出了在理论上可以利用半导体中的电子从导带跃迁到价带而实现发光。

关键词：半导体发光 LED 荧光灯
1.半导体材料的定义：
半导体材料（semiconductor material）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。

在能带理论之前，半导体材料通常是指那些电阻率在107Ω·cm～10-3Ω·cm范围内的材料。

处于金属材料和绝缘材料之间。

能带理论从材料的能带结构角度详细而理性的对半导体经行了定义，对半导体的认识有了一个质的飞跃。

能带理论认为：满带是不会产生电流，理由是电子波函数在k空间中是空间反演对称的，在-k处的电子产生的电流和在k处产生电流大小相等而方向相反，没有净电流产生如图1所示；对于部分填充能带，能带只是被价电子部分填充，无外场下电子在k空间分布对称没有电流产生，然而在外电场作用下电子在k空间分布下的对称性被破坏，于是在宏观上产生电流。

导带被电子部分填充的材料是金属，导带未被电子部分填充、价带恰好被填满且导带和价带的带隙较窄的材料为半导体，带隙较宽的绝缘体。

绝缘体带隙较宽以至于价带电子不能够激发到导带上，不能导电。

半导体带隙较窄，在绝对零度时，价带是满带，而导带是空带，不能导电，当外界条件（光照，热激发等）改变时，半导体的禁带宽度较小，可以把价带顶的电子激发到导带底，于是在导带底有了电子，价带顶有了空穴，就可以导电。

2.荧光发光和LED发光：
在多方面的努力下，荷兰飞利浦在1974年首先研制成功了将能够发出人眼敏感的红、绿、蓝三色光的荧光粉氧化钇（发红光，峰值波长为611nm）、多铝酸镁（发绿光，峰值波长为541nm）和多铝酸镁钡（发蓝光，峰值波长为450nm）按一定比例混合成三基色荧光粉（完整名称是稀土元素三基色荧光粉），它的发光效率高（平均光效在80lm/W以上，约为白炽灯的5倍），色温为2500K-6500K，显色指数在85左右，用它作荧光灯的原料可大大节省能源，这就是高效节能荧光灯的来由。

可以说，稀土元素三基色荧光粉的开发与应用是荧光灯发展史上的一个重要里程碑。

没有三基色荧光粉，就不可能有新一代细管径紧凑型高效节能荧光灯的今天。

荧光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度103-104毫米汞柱以后，充入少量惰性气体，同时还注入微量的液态水银。

灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。

与此同时，通用电气公司的尼克•何伦亚克在1962年开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷
化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

结论
从理论上来讲完全可以利用导带上的电子跃迁到价带上而附带发光。

然而从目前的科学水平来说，这种方案很难普及。

原因是很难实现粒子束反转，即怎样源源不断的将价带电子输运到导带上。

在激光中已经实现了粒子束反转，存在的不足是条件太苛刻，造价过高。

本文认为，可以找到一种相关的技术在可接受的条件下实现粒子束反转。

从而实现真正的半导体发光。

而不像LED依靠PN结，以少数载流子与多数载流子复合而发光。