C-X1c · 注入的载流子去了哪里

蓝 LED：复合与效率

蓝 LED 为什么会更亮，却更不省载流子？ 电流增大，总光子数可以增加，但每个注入载流子发出光子的机会反而变小。这个模型中，高密度下三次损失增长得比辐射复合快，外量子效率便会下降，亮度仍可继续增加。

把电子与空穴注入蓝光有源阱。看发光复合怎样和缺陷、高密度损失竞争，再采一条外量子效率曲线。

内量子效率 $0$

外量子效率 $0$

单位面积光功率

\mathrm W\,\mathrm{cm}^{-2}

$0$

密度单位

10^{18}\,\mathrm{cm}^{-3}

$0$

均匀稳态 ABC 模型假定三纳米有源阱中的电子、空穴密度相等。缺陷、辐射和三次复合系数均为合成参数，发光波长固定为四百五十纳米。出光比例是外部给定的光子提取率。三次损失用来展示一种高密度损失通道，不能据此判定真实 LED 效率下降的原因。不含注入泄漏、加热、极化场、局域化、波长漂移、光学干涉和空间输运。剖面与粒子运动均为示意。

合成模型采集

不同注入强度下的效率

已采扫描保留生成它时的设置。

J/(\mathrm A\,\mathrm{cm}^{-2}),\quad\eta_{\rm EQE}/\%

电流密度横轴采用对数刻度。圆点标出这条扫描保存的工作点。

载流子对在哪个通道复合

青色为辐射复合，橙色为缺陷损失，粉色为三次损失。出光之前，这三项比例之和为一。

先抓重点

核心问题: 蓝 LED 为什么会更亮，却更不省载流子？
一句话直觉: 亮度看发出了多少光子，效率看每个注入载流子平均带出了多少光子。

核心数学模型

稳态载流子平衡

\frac{J}{qd}=An+Bn^2+Cn^3

均匀稳态模型中，三个通道合起来消耗全部注入载流子对。

外量子效率

\eta_{\rm EQE}=\eta_{\rm ext}\frac{Bn^2}{An+Bn^2+Cn^3}

只有辐射复合产生光子，产生的光子中又只有提取出来的部分能离开器件。

常见难点

一个常见误解

容易误解最亮的工作点一定也最省载流子。

正确理解更大的注入可以弥补更低的发光比例。判断效率时，还要比较每个注入载流子带出的光子数。

动手实验

01
看有源阱发光
选“明亮有源阱”，改变“注入电流密度”。
你会看到： 电子与空穴抵达有源阱，蓝色光子向外射出。
02
增大缺陷损失
选“缺陷损失”，比较各复合通道的比例。
你会看到： 更多载流子对经缺陷通道消失，有用的光减少。
03
沿曲线寻找效率下降
选“效率下降”并记录扫描，比较光功率与效率。
你会看到： 高注入下，三次通道比辐射复合长得更快。总光功率继续增大时，效率仍可能下降。