發(fā)光二極管(LED)與LD

1、發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） v 發(fā)光二極管是一種冷光源發(fā)光二極管是一種冷光源，是固態(tài)，是固態(tài)P-N結(jié)器件，加正向電流時發(fā)光。它是直接結(jié)器件，加正向電流時發(fā)光。它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱轉(zhuǎn)換過把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱轉(zhuǎn)換過程，其發(fā)光機制是電致發(fā)光，輻射波長在程，其發(fā)光機制是電致發(fā)光，輻射波長在可見光或紅外光區(qū)。由于發(fā)光面積小，故可見光或紅外光區(qū)。由于發(fā)光面積小，故可以視為點光源?？梢砸暈辄c光源。v 在光纖系統(tǒng)中作為光源使用的發(fā)光二在光纖系統(tǒng)中作為光源使用的發(fā)光二極管與一般用作顯示的發(fā)光二極管不同極管與一般用作顯示的發(fā)光二極管不同。發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 工作原理

2、工作原理v 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。相干光。發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 工作原理工作原理1、發(fā)光二極管的伏安特性曲線、發(fā)光二極管的伏安特性曲線 表示發(fā)光二極管性能的參數(shù)表示發(fā)光二極管性能的參數(shù)有電學(xué)方面的，也有光學(xué)方面的，有電學(xué)方面的，也有光學(xué)方面的，最基本的是

3、發(fā)光二極管的電流最基本的是發(fā)光二極管的電流-電電壓特性。曲線形狀和普通半導(dǎo)體壓特性。曲線形狀和普通半導(dǎo)體二極管差不多，電壓值很低時，二極管差不多，電壓值很低時，幾乎沒有電流；在正向特性一邊，幾乎沒有電流；在正向特性一邊，電壓超過電壓超過1V或或1.5V左右時，電流左右時，電流迅速上升，顯示出歐姆導(dǎo)通特性，迅速上升，顯示出歐姆導(dǎo)通特性，這個電壓值稱為開啟點。開啟點這個電壓值稱為開啟點。開啟點電壓的大小決定于半導(dǎo)體材料。電壓的大小決定于半導(dǎo)體材料。 2、光通密度與電流密度的關(guān)系、光通密度與電流密度的關(guān)系 v 總的說來，光通密度總的說來，光通密度隨著電流密度的增加而成隨著電流密度的增加而成正比例增加

4、，但不容易出正比例增加，但不容易出現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣的特性。對于一些摻雜不的特性。對于一些摻雜不是很高的材料，當(dāng)載流子是很高的材料，當(dāng)載流子達到一定數(shù)值后，光通密達到一定數(shù)值后，光通密度達到飽和，再增加電流度達到飽和，再增加電流注入時，光通密度增加很注入時，光通密度增加很少，甚至不再增加。少，甚至不再增加。電流密度/（mAcm-2）光通密度（lmcm-2）110102103110102103010-1磷化鎵、綠色磷化鎵、綠色磷化鎵、紅色磷化鎵、紅色鎵砷磷鎵砷磷鎵鋁砷鎵鋁砷3、出光效率、出光效率v出光效率出光效率 是指是指P-

5、N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分數(shù)。的百分數(shù)。 換句話說，是表示器件內(nèi)部的光換句話說，是表示器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。影響因素：影響因素：半導(dǎo)體本身對光的吸收；半導(dǎo)體本身對光的吸收；材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的全反射）。全反射）。說明及解決措施說明及解決措施v 由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射率大得多，因此，出射角度不大時，就已經(jīng)形率大得多，因此，出射角度不大時，就已經(jīng)形成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面產(chǎn)生的光透射不出成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面

6、產(chǎn)生的光透射不出來。即使出射角度很小時，也會有一大部分光來。即使出射角度很小時，也會有一大部分光被反射回去。光線在空氣界面折射時，按照菲被反射回去。光線在空氣界面折射時，按照菲涅爾射定律，有部分能量反射回去。涅爾射定律，有部分能量反射回去。v 為了提高光的透射率，人們想了很多措施，為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率、低熔點的透明玻璃對管芯進行如用高折射率、低熔點的透明玻璃對管芯進行拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是垂直地入射到空氣界面，所以不會產(chǎn)生全內(nèi)反垂直地入射到空氣界面，所以不會產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以提高射，這樣出光效率

7、可以提高47倍。倍。LED的特點及應(yīng)用的特點及應(yīng)用v一、特點一、特點v1.LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。角大。v2.LED的發(fā)光顏色非常豐富的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。而且通過的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。 LED的特點及應(yīng)用的特點及應(yīng)用v、LED的輝度高。的輝度高。隨著各種顏色隨著各種顏色LED輝度的輝度的迅速提高，即使在日光下，由迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也發(fā)出的光也能視認。正是基于這一優(yōu)勢，在室

8、外用信息板、能視認。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴大。迅速擴大。v4、 LED單元體積小。單元體積小。在其他顯示器件不能使在其他顯示器件不能使用的極小范圍內(nèi)也可使用，再回上低電壓、用的極小范圍內(nèi)也可使用，再回上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。擴大。 LED的特點及應(yīng)用的特點及應(yīng)用v、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳌勖L，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕?、馬路、廣場地面

9、的信號光源，為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。 LED的應(yīng)用的應(yīng)用v指示燈指示燈v 在在LED的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號燈，各種類型的指示燈、信號燈， LED正在正在成為指示燈的主要光源。成為指示燈的主要光源。LED的壽命在的壽命在數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍倍以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢. LED的應(yīng)用的應(yīng)用v數(shù)字顯

10、示用顯示器數(shù)字顯示用顯示器v 利用利用LED進行數(shù)字顯示，進行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方有點矩陣型和字段型兩種方式。式。點矩陣型點矩陣型如圖示，使如圖示，使LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數(shù)字只讓列，按需要顯示的數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進行數(shù)相應(yīng)的元件發(fā)光。為進行數(shù)字顯示，每個數(shù)字需要行字顯示，每個數(shù)字需要行列的矩陣，共需列的矩陣，共需3535個元件。個元件。除數(shù)字之外，還可顯示英文除數(shù)字之外，還可顯示英文字符、羅馬字符、日文假名字符、羅馬字符、日文假名等，其視認性也很好。等，其視認性也很好。 LED的應(yīng)用的應(yīng)用v平面顯示器平面顯示器v LED還可以用于

11、平面顯示，其優(yōu)點還可以用于平面顯示，其優(yōu)點是，由于是，由于LED為固體元件，可靠性高，為固體元件，可靠性高，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗??；與采用白熾燈的顯示器相比，功耗小；可以制作對于可以制作對于CRT及及LCD來說不容易做來說不容易做出的大型顯示器等。出的大型顯示器等。 LED平面顯示器可平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陳型等幾大分為單片型、混合型及點矩陳型等幾大類。類。LED的應(yīng)用的應(yīng)用v 目前，用于室內(nèi)、外顯示，采用目前，用于室內(nèi)、外顯示，采用LED點矩陣型模塊點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結(jié)點矩陣型模塊

12、結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由構(gòu)，顯示板的大小可由LED發(fā)光點密集發(fā)光點密集排列成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅排列成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色、多色，甚至全色?；业骄G的任意單色、多色，甚至全色?；叶瓤梢詮氖?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)。與度可以從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)。與專用專用IC相組合，也可由電視信號驅(qū)動，相組合，也可由電視信號驅(qū)動，進行電視畫面顯示。進行電視畫面顯示。 LED的應(yīng)用的應(yīng)用v光源光源v LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。如電視機、空調(diào)等的遙控器的光源。系統(tǒng)的光源。如電視機、空調(diào)等的遙控器的光源。在光電檢測系統(tǒng)及光通信系

13、統(tǒng)中，也可作為發(fā)射在光電檢測系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來使用。當(dāng)然在這兩個領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定光源來使用。當(dāng)然在這兩個領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定限制，如由于限制，如由于LED相干長度短，不適合做為大量相干長度短，不適合做為大量程干涉儀的光源；在目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，程干涉儀的光源；在目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，由于光纖存在色散特性，由于光纖存在色散特性， LED的寬光譜將導(dǎo)致的寬光譜將導(dǎo)致脈沖的展寬，限制系統(tǒng)的通信容量，脈沖的展寬，限制系統(tǒng)的通信容量， LED只適只適合于低速率、短距離光纖通信系統(tǒng)。合于低速率、短距離光纖通信系統(tǒng)。 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）v半導(dǎo)體激光器，也稱激光二

14、極管（半導(dǎo)體激光器，也稱激光二極管（Laser Diode，LD），是一種光學(xué)振蕩器。），是一種光學(xué)振蕩器。v產(chǎn)生激光要滿足以下條件：產(chǎn)生激光要滿足以下條件：一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二、要有諧振腔，能起到光反饋作用，形成二、要有諧振腔，能起到光反饋作用，形成激光振蕩；形成形式多樣，最簡單的是法布激光振蕩；形成形式多樣，最簡單的是法布里里帕羅諧振腔。帕羅諧振腔。三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是增益要大于總的損耗。增益要大于總的損耗。LD的諧振腔的諧振腔有源區(qū)有源區(qū)注入電流注入電流解理面解理面解理面解理面Z0ZLR1R2增益介質(zhì)增益介質(zhì)LLD的閾

15、值條件的閾值條件v光在諧振腔內(nèi)往返一次不衰減的條件為：光在諧振腔內(nèi)往返一次不衰減的條件為：121/2 ln 1gLLR Rv式中式中R1，R2為諧振腔兩個反射面的反射率，為諧振腔兩個反射面的反射率， g為增益系數(shù)，為增益系數(shù)，L為諧振腔長，為諧振腔長，為損耗系數(shù)。為損耗系數(shù)?？傇鲆婵傇鲆鎯?nèi)部損內(nèi)部損耗耗端面損端面損耗耗+總損耗總損耗121/2ln 1gLR RLD的主要特性的主要特性v 半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性具有的光頻特性 。v1、伏安特性、伏安特性v 半導(dǎo)體

16、激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ姲雽?dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線如圖所示。由性。其伏安特性曲線如圖所示。由于工作時加正向偏壓，所以其結(jié)電于工作時加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來決的體積電阻和引線的接觸電阻來決定。這些電阻雖然很小，但由于工定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。作電流很大，其作用不能忽略。 正向電壓/ V正向電流（mA）1232004008000LD的主要特性的主要特性v2.量子效率與閾值電流量子效率與閾值電流 在復(fù)合區(qū)內(nèi)，

17、有兩種復(fù)合。一種叫在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合輻射復(fù)合，一種叫，一種叫無輻射復(fù)合無輻射復(fù)合。前者。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率注入的電子只有一部分對發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率i i表示輻射復(fù)表示輻射復(fù)合所占的比例。合所占的比例。空穴對數(shù)激活區(qū)每秒注入的電子數(shù)激活區(qū)每秒產(chǎn)生的光子i 由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會減少，因而又定義了外由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會減少，因而又定義了外量子效率量子效率 ex.ex

18、.空穴對數(shù)激活區(qū)每秒注入的電子數(shù)激活區(qū)每秒發(fā)射的光子exLD的主要特性的主要特性v3.方向特性方向特性 普通氣體激光器和固體激光器普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有方向性很好，光束的發(fā)散角只有 (球面度球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向。而半導(dǎo)體激光器的方向性要差得多。性要差得多。610LD的主要特性的主要特性v 在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項指標(biāo)更為重要。芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項指標(biāo)更為重要。 LD的主要特性的主要特性v4.

19、光譜特性光譜特性 由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價帶都有一由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。要寬。 半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當(dāng)激勵電流低于閾值電流時，而變化，當(dāng)激勵電流低于閾值電流時，發(fā)出的光是熒光。這時的光譜很寬，發(fā)出的光是熒光。這時的光譜很寬，其寬度常達百分之幾微米。如圖其寬度常達百分之幾微米。如圖 (a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時，發(fā)出的所示。當(dāng)電流增大到閾值時，發(fā)出的光譜

20、突然變窄，譜線中心強度急劇增光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加。這表明出現(xiàn)了加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為激光。其光譜為分布如圖分布如圖 (b)所示。由此可見所示。由此可見知知光譜變窄，單色性增強是半導(dǎo)體激光光譜變窄，單色性增強是半導(dǎo)體激光器達到閾值時的一個特征，因而可通器達到閾值時的一個特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。過激光器光譜的測量來確定閾值電流。 LD的主要特性的主要特性v 半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，隨溫度而變化，GaAs激光器激光器在在77K下，其光譜寬度為百分下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾

21、微米，目前分布反饋型激之幾微米，目前分布反饋型激光器的譜寬只有光器的譜寬只有10-4 m左右。左右。另一方面，溫度升高時，激光另一方面，溫度升高時，激光峰值向長波方向移動，這是由峰值向長波方向移動，這是由于禁帶寬度隨溫度升高而變小，于禁帶寬度隨溫度升高而變小，因而發(fā)射光子的頻率變小的原因而發(fā)射光子的頻率變小的原故（故（Eg=hv）。）。右圖表示激光右圖表示激光峰值位置隨溫度變化的情況，峰值位置隨溫度變化的情況，縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量值和對應(yīng)的波長值。值和對應(yīng)的波長值。 LD的應(yīng)用的應(yīng)用v光纖通信系統(tǒng)的光源光纖通信系統(tǒng)的光源v光學(xué)測量系統(tǒng)的光源光學(xué)測量系統(tǒng)的光源v其

22、他應(yīng)用其他應(yīng)用LD與LED的比較 v 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體）與半導(dǎo)體激光二極管（激光二極管（LD）在結(jié)構(gòu)上的）在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別根本區(qū)別就是它沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光。就是它沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光。它的發(fā)光限于自發(fā)輻射。它發(fā)出的是熒它的發(fā)光限于自發(fā)輻射。它發(fā)出的是熒光，而不是激光。光，而不是激光。 LD的優(yōu)點1）LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。2）LD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時，光在光纖中傳的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為其譜寬度一般為0.030.04m。3）由于）由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠，而的功率較高，傳播距離較遠，而LED的發(fā)散角一般在的發(fā)散角一般在4020范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有有3%左右。左右。4)LD的輸出光強及效率較高，的輸出光強及效率較高，LED的輸出光強及