光電信息處理技術(shù)：發(fā)光二極管

1第一章光電顯示技術(shù)發(fā)光二極管液晶顯示等離子體顯示電致發(fā)光及場致發(fā)光器件激光顯示2§1.1發(fā)光二極管§1.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)§1.1.2發(fā)光二極管的工作原理§1.1.3LED的特點(diǎn)及應(yīng)用3

§1.1發(fā)光二極管§1.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)1、基本概念在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。

電子在低能級(jí)與高能級(jí)之間可以有3種躍遷，下面以E1與E2能級(jí)為例進(jìn)行介紹。4（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射（3）受激輻射5

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

2.1.1-1

式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。

6在熱平衡狀態(tài)下，總是有。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(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果，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(shí)，就會(huì)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)）。

價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶：能量最高的被價(jià)電子填滿的能帶導(dǎo)帶：價(jià)帶以上的能帶，基本上是空的禁帶：價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域半導(dǎo)體是由大量原子有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。n型半導(dǎo)體的能帶示意圖

實(shí)際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導(dǎo)體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。因此半導(dǎo)體分為兩類：本征半導(dǎo)體：完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體(摻有施主雜質(zhì)原子，有額外的電子)P型半導(dǎo)體(摻有受主雜質(zhì)原子，有額外的空穴)假定取代半導(dǎo)體的原子的另一種物質(zhì)的原子比半導(dǎo)體的原子具有較多的價(jià)帶電子。相反地，雜質(zhì)原子可以比半導(dǎo)體原子具有較少的價(jià)帶電子。p型半導(dǎo)體的能帶示意圖總結(jié)：為了使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生大的變化，對(duì)于每一百萬個(gè)半導(dǎo)體原子，大約有一個(gè)雜質(zhì)原子就足夠了，因?yàn)殡s質(zhì)的電離能比禁帶寬度要小得多，所以雜質(zhì)的種類和數(shù)量對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能影響很大。10

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

4.1.1-2

稱為費(fèi)米能級(jí)，用來描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)

阻止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層2、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

①PN結(jié)的形成

少子漂移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流，總電流＝0平衡PN結(jié)能帶圖P型N型EfpEfnEf能級(jí)彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費(fèi)米能級(jí)P型N型p-n結(jié)的能帶圖②PN結(jié)的單向?qū)щ娦?A)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

(B)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?7

將二極管N型的一端與電路的負(fù)極相連，同時(shí)P型的那一端與正極相連。N型材料中的自由電子被負(fù)極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會(huì)沿反方向移動(dòng)。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內(nèi)的電子會(huì)被推出空穴，從而再次獲得自由移動(dòng)的能力。此時(shí)耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。1.1.2發(fā)光二極管的工作原理18

若將P型端連接到電路負(fù)極、N型端連接到正極的話，電流將不會(huì)流動(dòng)。N型材料中帶負(fù)電的電子會(huì)被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會(huì)被吸引到負(fù)極上。由于空穴與電子各自沿著錯(cuò)誤的方向運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)將不會(huì)有電流通過，耗盡區(qū)也會(huì)擴(kuò)大。19自由電子通過二極管時(shí)會(huì)陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導(dǎo)帶到低軌道的跌落，因而電子會(huì)以光子的形式釋放出能量。這種發(fā)射過程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射過程。

PN結(jié)上加正向偏壓時(shí)：LED的發(fā)光原理20

盡管所有的二極管都能發(fā)光，但大多數(shù)發(fā)光效果并不好。在普通二極管內(nèi)，大量的光能最終會(huì)被半導(dǎo)體材料自身吸收。LED因其獨(dú)特的構(gòu)造，可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個(gè)可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡里面。二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側(cè)壁反射回來，然后繼續(xù)傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。

21發(fā)光二極管(LED)22基本結(jié)構(gòu)

1、面發(fā)光二極管

圖1.1.2-2面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖有源區(qū)圓形金屬觸點(diǎn)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232、

邊發(fā)光二極管

圖1.1.2-3邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)示意圖金屬化層(用于電接觸)SiO2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)24電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。穩(wěn)定性：10萬小時(shí)，光衰為初始的50%。響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)?！?.1.3LED的特點(diǎn)及應(yīng)用25對(duì)環(huán)境污染：無有害金屬汞。顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。26二、

應(yīng)用

1、

指示燈

在LED的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號(hào)燈等。以前，作為顯示用光源，一直采用普通鎢絲白熾燈泡，但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場，特別是鑒于LED的許多優(yōu)點(diǎn)，指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常，LED的壽命在數(shù)十萬小時(shí)以上（在規(guī)定的使用條件下），為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢。272、數(shù)字顯示用顯示器

利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。

圖1.1.4-1點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示圖1.1.4-2字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框