第2章 電光轉(zhuǎn)換器件_LED_LD

1、第第2章電光轉(zhuǎn)換器件章電光轉(zhuǎn)換器件1.1.發(fā)光二極管發(fā)光二極管 2.2.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 3.3.液晶顯示器液晶顯示器 4.4.陰極射線管陰極射線管 5.5.等離子顯示板。等離子顯示板。 2.1 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ) LED的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動 LED的特性 應(yīng)用 原子中存在許多能級，最低能級原子中存在許多能級，最低能級E1稱為稱為基態(tài)基態(tài)，能量比，能量比基態(tài)大的能級基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4) 稱為稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。 電子電子3種躍遷種躍遷:（1）受激吸收）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射）自發(fā)輻射（3）受激

2、輻射）受激輻射電子電子擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移空穴空穴內(nèi)建電場內(nèi)建電場空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN PN 結(jié)內(nèi)建電場的形成及載流子的運(yùn)動結(jié)內(nèi)建電場的形成及載流子的運(yùn)動PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通：結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。在擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶與空結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。在擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶與空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 光的峰值波長光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即有關(guān)，即1240/E

3、g（mm） 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖P-Alx Ga1-x AsN-Aly Ga1-y AsP- Ga As光輸出光輸出 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光。分為：分為：面發(fā)光型面發(fā)光型發(fā)光功率較大發(fā)光功率較大 邊發(fā)光型易與光纖耦合邊發(fā)光型易與光纖耦合面發(fā)光型面發(fā)光型LEDLED的光輸出的光輸出面發(fā)光型面發(fā)光型LEDLED用于光顯示用于光顯示邊發(fā)光型邊發(fā)光型LEDLED用于短距離光纖通信用于短距離光纖通信 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)金屬化層(用于電接觸)SiO2

4、絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導(dǎo)光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū) 它的核心結(jié)構(gòu)是有源層兩邊有導(dǎo)光層（限制層），構(gòu)它的核心結(jié)構(gòu)是有源層兩邊有導(dǎo)光層（限制層），構(gòu)成了以有源層為纖芯的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端成了以有源層為纖芯的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端面射出，發(fā)散角小。有利于發(fā)光功率有效地耦合入光纖。面射出，發(fā)散角小。有利于發(fā)光功率有效地耦合入光纖。邊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖邊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖 三、驅(qū)動電路三、驅(qū)動電路輸出光功率被電信號所調(diào)制輸出光功率被電信號所調(diào)制數(shù)字、模擬。數(shù)字、模擬。 LED驅(qū)動電路驅(qū)動電路+5VLEDReRb2Rb1Vin 四、符號及外形四、符號及外

5、形LED外形可分為圓形、方形、矩形、三角形和組合形等多種外形可分為圓形、方形、矩形、三角形和組合形等多種 塑封塑封LED按管體顏色又分為紅色、琥珀色、黃色、按管體顏色又分為紅色、琥珀色、黃色、橙色、淺藍(lán)色、綠色、黑色、白色、透明無色等橙色、淺藍(lán)色、綠色、黑色、白色、透明無色等多種多種 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖所示。腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖所示。1300 波長波長/ /nm=70nm相相對對光光強(qiáng)強(qiáng) LED光譜光譜0 200 400 電流電流I / /mA發(fā)發(fā)射射光光功功率率P/mW 面發(fā)光面發(fā)光 邊發(fā)光邊發(fā)

6、光 1510 5 0 LED 的的P-I曲線曲線。，通過選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種，通過選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或或GaAaP材料的紅色材料的紅色LED，GaAaP材材料的橙色、黃色料的橙色、黃色LED，以及，以及GaN藍(lán)色藍(lán)色LED等。而且通過紅、綠、等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。隨著各種顏色隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光輝度的迅速提高，即使在日光下，由下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路

7、通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。在其他顯示器件不能使用。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電電流驅(qū)動的特點(diǎn)，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(jìn)一步擴(kuò)器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進(jìn)一步擴(kuò)大。大。基本上不需要維修?？勺鳛榈匕?、馬基本上不需要維修?？勺鳛榈匕?、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。域。二、二、 應(yīng)用應(yīng)用利用利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字

8、段型兩種方式。進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。 點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示 字段型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示樹脂樹脂反射框反射框引線框架引線框架LED芯片芯片擴(kuò)散片擴(kuò)散片LED用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是：用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是：LED為固體為固體元件，可靠性高，可以制作對于元件，可靠性高，可以制作對于CRT及及LCD來說來說不容易做出的不容易做出的大型顯示器大型顯示器。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。比如照明光源、電視機(jī)遙控器的光系統(tǒng)的光源。比如照明光源、電視機(jī)遙控器的光源。源。直流電源、整流電源及交流電源指示電路直流電源、整流

9、電源及交流電源指示電路 單單LED電平指示電路電平指示電路 單單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用可充作低壓穩(wěn)壓管用 附：附：(1) LED應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例電平表電平表 (2)普通發(fā)光二極管的檢測普通發(fā)光二極管的檢測利用具有利用具有10k擋的指針式萬用表可以大致?lián)醯闹羔樖饺f用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻阻值為幾十至阻值為幾十至200k，反向電阻的值為，反向電阻的值為。(3)中國大陸中國大陸LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)估計(jì)到估計(jì)到2012年末，整個中國年末，整個中國LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1500億元。美國市場研究公司億元。美國市場研究公司

10、Communications Industry Researchers(CIR)預(yù)測，平均每年增長預(yù)測，平均每年增長20%30%，隨著，隨著LED應(yīng)用范圍的增加，這一數(shù)據(jù)有應(yīng)用范圍的增加，這一數(shù)據(jù)有不斷增加的趨勢。不斷增加的趨勢。 我國已成為我國已成為LED全彩顯示屏、太陽能全彩顯示屏、太陽能LED、景觀照明、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國，新興的半導(dǎo)體照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中產(chǎn)業(yè)正在形成。國內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾

11、路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路。在中國十條示范道路。在中國LED顯示屏幕已經(jīng)大量應(yīng)用；顯示屏幕已經(jīng)大量應(yīng)用；LED汽車燈被大量應(yīng)用；應(yīng)用于汽車燈被大量應(yīng)用；應(yīng)用于LCD的的LED背光背光 目前也已經(jīng)目前也已經(jīng)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段；達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段；LED路燈有可能大量投入到道路照明；路燈有可能大量投入到道路照明；LED普通照明概念將更清晰等等。普通照明概念將更清晰等等。 2020世紀(jì)世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對激光的誕生標(biāo)志著人類對光子的掌握和利用進(jìn)入了一個嶄新光子的掌握和利用進(jìn)入了一個嶄新的階段。的階段。 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)2.2 激光器 一、一、 激光的形成激光的形成1. 粒子數(shù)反

12、轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 通過外加能量打破封閉系統(tǒng)的熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過外加能量打破封閉系統(tǒng)的熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 通常，因?yàn)闊崃W(xué)的平衡態(tài)服從通常，因?yàn)闊崃W(xué)的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律波爾茲曼分布律，處于基態(tài)的原子，處于基態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)，這種情況得不到激光。數(shù)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)，這種情況得不到激光。2211expNEENkT式中，式中，N1和和N2分別為能級分別為能級E1（基態(tài)）和（基態(tài)）和E2（激發(fā)態(tài)）的原子數(shù)。（激發(fā)態(tài)）的原子數(shù)。 在熱平衡狀態(tài)下，在熱平衡狀態(tài)下， 。受激吸收速率大于。受激吸收速率大于受激輻射速率。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光強(qiáng)按指受激輻射速率。當(dāng)光通

13、過這種物質(zhì)時，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)。21NN 如果如果 （稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，用一定的（稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，用一定的方法去激發(fā)原子群體實(shí)現(xiàn)），即受激輻射速率方法去激發(fā)原子群體實(shí)現(xiàn)），即受激輻射速率大于受激吸收速率，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，就大于受激吸收速率，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，就會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為增益介質(zhì)增益介質(zhì)（或（或激活介質(zhì)激活介質(zhì)）。）。 12NN 25 2 提供光的反饋提供光的反饋 解理面（晶體中易于劈裂的平面）解理面（晶體中易于劈裂的平面） 其中最簡單的是法布其中最簡單的是法布 里里珀羅腔珀羅腔圖圖2.2.1-

14、1 激光二極管的諧振腔激光二極管的諧振腔注入電流注入電流有源區(qū)有源區(qū)解理面解理面解理面解理面L增益介質(zhì)增益介質(zhì)R1R2z = 0z = L 諧振頻率 諧振條件2mnlnlmc2nlc2即：腔內(nèi)允許間隔為即：腔內(nèi)允許間隔為c/2nl的的m倍的不同頻率的光場在其中振蕩倍的不同頻率的光場在其中振蕩c/2nL(a) 縱模分布 增益曲線損耗I (b) 工作模式 據(jù)相干加強(qiáng)條件相鄰兩縱模間隔2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1m）、）、P型和型和N型限制層構(gòu)成。型限制層構(gòu)成。圖圖2.2.2-1 大面積半導(dǎo)

15、體激光器大面積半導(dǎo)體激光器電流電流金屬接觸金屬接觸P型型N型型有源層有源層300m200m100m解理面解理面這樣的激光器面積大，稱為這樣的激光器面積大，稱為大面積激光大面積激光器。器。為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實(shí)際的激光器為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實(shí)際的激光器采用了采用了增益導(dǎo)引型增益導(dǎo)引型和和折射率導(dǎo)引型折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。2.2.3 半導(dǎo)體激光器特性半導(dǎo)體激光器特性 光譜特性光譜特性圖圖2.2.3-1 GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖波長取決于激光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的波長取決于激光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的縱?？v模。驅(qū)動電流增大驅(qū)動電

16、流增大 832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為為靜態(tài)單縱模激光器靜態(tài)單縱模激光器。轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性表示，其定義為在閾值電流以上，表示，其定義為在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)數(shù):由此得到由此得到式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流，Pth和和Ith分別為對應(yīng)的閾值，分別為對應(yīng)的閾值，hf與與e分別為光子能量與電子電荷。分

17、別為光子能量與電子電荷。激光器的電激光器的電光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率 d()/()/thdthPPhfP eIIeI hfthth()dhfPPIIe 激光器的輸出光功率通常用激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示（如圖）。曲線表示（如圖）。 時，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)時，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng) 時，發(fā)出的是受時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。典型典型LD的光功率特性曲線圖的光功率特性曲線圖thIIthII543210 0 50 100 I / /mA發(fā)射光功率發(fā)射光功率P/mW閾值電流閾值電流

18、I Ithth注入電流注入電流I II Ithth , ,才能形成激光。才能形成激光。器件結(jié)構(gòu)要著力器件結(jié)構(gòu)要著力于降低于降低I Ithth 。溫度特性溫度特性溫度變化會改變激光器的輸出光功率。原因：一溫度變化會改變激光器的輸出光功率。原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減?。ㄈ鐖D）。量子效率隨溫度升高而減?。ㄈ鐖D）。LD的的P-I曲線隨溫度的變化圖曲線隨溫度的變化圖發(fā)射光功率發(fā)射光功率P/mW543210 0 50 100 I / /mA225070 一、光纖通信系統(tǒng)的光源一、光纖通信系統(tǒng)的光源二、光學(xué)測量系

19、統(tǒng)的光源二、光學(xué)測量系統(tǒng)的光源 三、其他應(yīng)用三、其他應(yīng)用目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有目前已開發(fā)出并投放市場的半導(dǎo)體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中等，其中1310nm、1550nm主要用于光主要用于光纖通訊領(lǐng)域。纖通訊領(lǐng)域。405nm - 670nm為可見光波段，為可見光波段，780nm - 1550nm為紅外光波段，為紅外光波段，390nm - 370nm為紫外光波段。為紫外光波段。 半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性

20、高、轉(zhuǎn)換效率高、半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、功耗低、驅(qū)動電源簡單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲、激光打印、激光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀器、光照排、激光測距、條碼掃描、工業(yè)探測、測試測量儀器、激光顯示、醫(yī)療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平激光顯示、醫(yī)療儀器、軍事、安防、野外探測、建筑類掃平及標(biāo)線類儀器、實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)演示、舞臺燈光及激光表演、及標(biāo)線類儀器、實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)演示、舞臺燈光及激光表演、激光水平尺及各種標(biāo)線定位等。激光水平尺及各種標(biāo)線定位等。半導(dǎo)體激光器的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使之非常適合于軍事上的半導(dǎo)體激光器的一些獨(dú)