第2章第1節(jié)發(fā)光二極管

第2章電光信息轉(zhuǎn)換第2章電光信息轉(zhuǎn)換器件

將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的器件稱為電光轉(zhuǎn)換器件。必要性接收信息傳輸信息1第2章電光信息轉(zhuǎn)換第2章電光信息轉(zhuǎn)換基本要求發(fā)光光譜特性發(fā)光強度穩(wěn)定性發(fā)光面積發(fā)光效率空間分布壽命2第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管§2.1發(fā)光二極管（LED）半導體光源的物理基礎(chǔ)LED的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動LED的特性應用3第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

§2.1.1半導體光源的物理基礎(chǔ)在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。4第2章電光信息轉(zhuǎn)換

受激吸收:外界入射光子能量近似等于E2-E1，電子會吸收光子由E1到E2E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv

自發(fā)輻射：E2上電子不穩(wěn)定，自發(fā)躍遷到低能級的E1，釋放一個能量E2-E1光子

受激輻射：E2上電子,受到入射光，由E2躍遷到E1，釋放一個能量E2-E1光子一、三種躍遷發(fā)光二極管與半導體激光器，分別屬于自發(fā)輻射和受激輻射發(fā)光，前者輻射光非相干的，后者輻射光是相干的5第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

設(shè)在單位物質(zhì)內(nèi)，處于低能級E1和處于高能級E2的原子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，原子分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計分布

式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。6第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管在熱平衡狀態(tài)下，總是有N1>N2。受激吸收速率大于受激輻射速率。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1

，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當光通過這種物質(zhì)時，就會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為增益介質(zhì)（或激活介質(zhì)）。

7第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管半導體是由大量原子有序排列構(gòu)成的共價晶體。導帶帶價EcEvEfEg(b)N型半導體(a)本征半導體導帶價帶EcEvEfEg(c)P型半導體

能級低的能帶稱為價帶，能級高的能帶稱為導帶，能量之間的差稱為禁帶寬度，電子不能處于禁帶。8第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米-狄拉克分布

T→0，P(E)→0，這時導帶上幾乎沒有電子，價帶上填滿電子。Ef:費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)，在費米能級中，被電子占據(jù)的和空穴占據(jù)的概率相等。9第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)對于本征半導體，電子和空穴成對出現(xiàn)，費米能級在禁帶的中間位置。10第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管雜質(zhì)半導體的費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系N型半導體，Ef將增大，導帶的電子增多，價帶的空穴相對減小。P型半導體，Ef將減小，導帶的電子減小，價帶的空穴相對增多。11第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管在P型和N型半導體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子（電子或空穴）的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場，如下圖所示。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反的漂移運動，直到P區(qū)與N區(qū)的Ef相同為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。當在PN結(jié)上加正向電壓，產(chǎn)生于內(nèi)部電場相反方向的外電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。電子的運動方向與電場相反，使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，在PN結(jié)形成一個增益區(qū)，增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。電子和空穴的擴散過程中，導帶電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光12第2章電光信息轉(zhuǎn)換內(nèi)建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴散漂移13第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動一、工作原理

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復合發(fā)光的，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，也不需要光學諧振腔，發(fā)射的是非相干光PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出圖2.1.2-1雙異質(zhì)結(jié)半導體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖反型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)14第2章電光信息轉(zhuǎn)換二、基本結(jié)構(gòu)

1、面發(fā)光二極管

圖2.1.2-2面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動

有源區(qū)圓形金屬觸點SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔15第2章電光信息轉(zhuǎn)換2、

邊發(fā)光二極管

圖2.1.2-3邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)示意圖§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動

金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū)16第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動

LED的供電電路一般要加限流電阻以限定其最大工作電流。3、驅(qū)動電路1、直流驅(qū)動2、交流驅(qū)動~+5VLEDReRb2Rb1Vin圖2.1.2-4LED驅(qū)動電路3、發(fā)光二極管接入線性放大電路中通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可以獲得需要的輻射光功率。17第2章電光信息轉(zhuǎn)換

§2.1.3LED的特性二、光譜特性描述光譜分布的兩個主要參量是峰值波長與半強度寬度。其峰值波長由材料的禁帶寬度決定。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2.1.3-1所示。1300波長/nmΔλ=70nm相對光強圖2.1.3-1LED光譜U(V)I(mA)一、伏安特性伏安特性即電流電壓特性，是發(fā)光二極管的基本特性。下圖是LED的伏安特性圖18第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1.3LED的特性

四、

輸出光功率特性LED實際輸出的光子數(shù)遠遠少于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率小于10%。發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖2.1.3-2所示。驅(qū)動電流較小時，P-I曲線的線性較好；電流過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。

邊發(fā)光

0200400電流I/mA

發(fā)射光功率P/mW

面發(fā)光151050圖2.1.3-2LED的P-I曲線三、

光束的空間分布在垂直于發(fā)光平面上，面發(fā)光LED輻射圖呈朗伯分布即，半功率點輻射角。邊發(fā)光型LED，，。五、

溫度特性六、

壽命19第2章電光信息轉(zhuǎn)換

§2.1.4LED的特點及應用一、特點

1、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。

2、

LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。

3、LED的單元體積小。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擴大。

4、壽命長，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應用領(lǐng)域。20第2章電光信息轉(zhuǎn)換二、

應用§2.1.4LED的特點及應用

1、

指示燈2、數(shù)字、文字及圖像顯示1)最簡單的七段式數(shù)碼管2)14列字碼管3)在文字顯示上，通常是把二極管作矩陣排列·3、光源

LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。21第2章電光信息轉(zhuǎn)換

§2.1.3LED的發(fā)展與應用白光LED

一種方法是將不同顏色的LED混合在一起產(chǎn)生白光。就像電視用熾熱的紅、綠、藍色熒光粉來產(chǎn)生各種顏色，當然也包括白色，恰當?shù)腖ED組合也可以產(chǎn)生白光。標準組合是紅、綠、藍色二極管的組合，而最佳組合僅僅用藍色和桔色兩種LED即可。第二種方法是用LED去激勵其它可以發(fā)出白光的材料。一種由氮化鎵組成的裝置可以發(fā)出藍色光，在這種裝置的內(nèi)部涂上一層磷光劑，磷光劑在受到藍色光照射后會產(chǎn)生白光，從而實現(xiàn)了一個白光發(fā)射器。藍光光子具有更高的能量，足以觸發(fā)磷光劑發(fā)射白光。波士頓大學光子研究中心的研究人員最近提出了一種白光二極管，它綜合了前面提到的兩種方法。他們的“光子再循環(huán)”裝置由兩個LED組成，它們在同一芯片上，由鋁煙鎵磷(AllnGaP)半導體復合物制成的LED疊在發(fā)藍色光的氮化鎵LED之上。藍光撞擊AllnGaP層；一些藍色光子釋放能量并產(chǎn)生桔黃色的光子；其他的光子則通過AllnGaP合金層。選擇適當?shù)牟牧虾秃穸染涂梢允雇ㄟ^的光子混合而產(chǎn)生白光。對于多芯片的設(shè)計，發(fā)光顏色可以通過對不同的二極管所加能量的不同任意進行調(diào)諧。但是在“光子再循環(huán)”裝置中，顏色永遠取決于所選的材料。22第2章電光信息轉(zhuǎn)換超高亮度LED熱點應用大、中、小屏幕顯示器 各種廣告牌、體育記分牌、金融和交通指示牌等，分為全色、三色、單色顯示屏，2002年中國市場超過20億元，幾乎全部采用中國國產(chǎn)顯示屏。汽車用燈汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈、頭燈等均在逐步采用LED顯示。據(jù)報道，2001年全世界超高亮度LED在汽車上的用量占26%的份額，一部汽車可用LED(或管子)200只到300只，中國汽車工業(yè)正處于大發(fā)展時期，是推廣超高亮度LED的極好時機背光源主要是液晶LCD顯示器上用的背光源，有白色和其他各種顏色，現(xiàn)階段手機背光源用量非常大，一年要用35億只LED。據(jù)報道，全世界2001年超高亮度LED在背光源上的用量占30%的份額。目前中國手機生產(chǎn)量很大，而且大部分LED背光源還是進口的，對於中國LED產(chǎn)品來說，這也是個極好的市場機會。交通信號燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED，因為采用LED信號燈既節(jié)能，可靠性又高，交通信號燈正在逐步更新?lián)Q代，而且推廣的速度很快，市場需求量很大，是個很好的市場機會。景觀照明、裝飾燈及各種專用顯示器市場用量很大，估計每年用量為幾十億只。

白光照明已開始從小功率白光LED燈用起，如安全照明燈、顯微鏡燈、白光背光源、手電筒、特種白光照明等，并逐步向白光照明邁進。超高亮度及白光LED應用北京2008年奧運會相關(guān)照明顯示工程中LED的項目，這是個推動LED照明業(yè)發(fā)展的極好機會。另外，只有