第3章光源光電器件32節(jié)教學(xué)案例

第3章光源光電器件

◆光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源。

①自然光源由自然過程產(chǎn)生的輻射源，如各種天體、大氣等。②人工光源人為將各種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的輻射源?！耠姽庠蠢秒娔墚a(chǎn)生光輻射的器件?！艄廨椛錈彷椛洹矬w溫度高于絕對零度而產(chǎn)生的物體輻射。激發(fā)輻射——物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。3.2.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。◆發(fā)光二極管作為光源的優(yōu)點：

①體積小，重量輕，便于集成；

②工作電壓低，耗電小，驅(qū)動簡便，容易用計算機控制；

③有單色性好的單色及發(fā)白光的發(fā)光二極管；

④發(fā)光亮度高，發(fā)光效率高，亮度便于調(diào)整。

3.2發(fā)光二極管1.發(fā)光二極管的發(fā)光機理按機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光⑴PN結(jié)注入發(fā)光

圖3-9注入發(fā)光的能帶結(jié)構(gòu)2.基本結(jié)構(gòu)⑴面發(fā)光二極管

圖3-11所示為波長0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)GaAs/AIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。

有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120°。圖3-11面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)⑵邊發(fā)光二極管為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為50～70μm，長度為100～150μm。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為25°～35°，垂直方向為120°。

圖3-12波長1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP／InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)3.LED的特性參數(shù)

⑴發(fā)光光譜

LED的發(fā)光光譜--指LED發(fā)出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。

描述光譜分布的主要參量

（1）峰值波長（2）發(fā)光強度的半寬度。

發(fā)光光譜直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。峰值波長由材料的禁帶寬度決定。峰值波長相對應(yīng)的光子能量比禁帶寬度所對應(yīng)的光子能量小些。例如：GsAs的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。圖3-13GaAs0.6P0.4和GaP的發(fā)射光譜

⑵發(fā)光效率發(fā)光效率---發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比，單位lm/W；或為光強度與注入電流之比，單位為cd／A（坎/安）。發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。

內(nèi)部量子效率在平衡時，電子--空穴對的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率（包括輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合），而復(fù)合率又分別決定于載流子壽命τ

r和τ

nr，其中輻射復(fù)合率與1/τr成正比，無輻射復(fù)合率為1/τnr，內(nèi)部量子效率為（3-4）式中，neo為每秒發(fā)射出的光子數(shù)，ni為每秒注入到器件的電子數(shù)，τr是輻射復(fù)合的載流子壽命，τnr是無輻射復(fù)合的載流子壽命。由式中可以看出，只有τnr＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射。注意：輻射復(fù)合發(fā)光的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。光子通過半導(dǎo)體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。

外部量子效率ηex---單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對數(shù)nin定義為外部量子效率ηex，即（3-5）

提高外部量子效率的措施有三條：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。⑶發(fā)光亮度與電流的關(guān)系發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴散電流idn之間的關(guān)系為（3-6）式中，τ是載流子輻射復(fù)合壽命τr和非輻射復(fù)合壽命τnr的函數(shù)。

圖3-14發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線(4)溫度特性發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度的上升而下降。圖3-15發(fā)光二極管的相對光亮度與溫度的關(guān)系曲線

⑸

最大工作電流在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加而降低。若發(fā)光二極管的最大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為圖3-15GaP的ηin與電流密度J及溫度T間的關(guān)系曲線（3-7）

式中，rd為發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在較小工作電流時的電流和正向壓降。⑹伏安特性正向電流與電壓的關(guān)系為

i＝Ioexp(U/mkT)（3-8）式中，m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中圖3-16發(fā)光二極管的伏安特性曲線當(dāng)電流i<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m＝1。因而實際測得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。反向擊穿電壓一般在-5V以上，有些已超過-200V。⑺壽命

壽命---亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。

在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。老化---隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。⑻響應(yīng)時間響應(yīng)時間---在快速顯示時，標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于1μs，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。

(9)光強發(fā)布

不同型號的LED發(fā)出的光在半球空間內(nèi)具有不同的光強分布規(guī)律。圖3-17LED的外形與發(fā)光強度的空間分布機械軸與光軸往往并不重疊而在空間上具有夾角Δθ，LED的發(fā)光強度是光軸為基準(zhǔn)關(guān)于角度θ的函數(shù)Iv=f(θ)發(fā)光強度衰減到一半時所對應(yīng)的角度稱為LED的半發(fā)光強度角（或半角），用θ1/2表示。不同的應(yīng)用對分布函數(shù)的要求不同，希望遠(yuǎn)距離傳輸光能量的應(yīng)用要求半角寬度盡量小，以免能量在傳輸過程中損失過大。而要求獲得均勻面光源的情況下又要求其“半角”盡量增大。4.驅(qū)動電路發(fā)光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動電流。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調(diào)制。

圖3-18LED驅(qū)動電路3.2.2發(fā)光二極管的應(yīng)用

1.數(shù)字、文字及圖像顯示7段數(shù)字顯示器是已在臺式及袖珍型半導(dǎo)體電子計算器、數(shù)字鐘表和數(shù)字化儀器的數(shù)字顯示上得到廣泛的應(yīng)用。圖3-197段數(shù)碼管圖3-2016段數(shù)碼管2.指示、照明

單個發(fā)光二極管還可作為儀器指示燈、示波器標(biāo)尺、道路交通指揮顯示器、收音機刻度及鐘表的文字照明燈應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

此外，LED可用來制作光電開關(guān)、光電報警、光電遙控器及光電耦合和器件等。3.光源

紅外發(fā)光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器，LED以及LED組合器件可以作為光電尺寸測量系統(tǒng)、振動測量系統(tǒng)及其他檢測系統(tǒng)的信號光源。目前，LED多功能照明光源的出現(xiàn)，使許多檢測系統(tǒng)的難度降低。LED點陣模塊

顯示單元（Displayunit）由電路及安裝結(jié)構(gòu)確定的并具有顯示功能的器件組成LED顯示屏的最小單元。LED點陣規(guī)模分類⑴按照顏色的不同分為單基色、雙基色和三基色三類，可顯示紅、黃、綠、藍、橙等顏色。

⑵按照點陣規(guī)模大小可分為4×4、4×8、5×7、5×8、

8×8、16×16、24×24、32×32、40×40等。⑶按照像素的直徑大小可分為φ3、φ3.75、φ5、φ10、

φ20等。驅(qū)動電路的驅(qū)動方式⑴串行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過串行方式送入點(列)驅(qū)動電路。串行控制驅(qū)動方式可選用的芯片有MC4094、74LS595、74HC595、6B595、9094等等。其中MC4094、74HC595均為CMOS芯片,應(yīng)與功率芯片結(jié)合使用。⑵并行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過并行(8位)方式送入點(列)驅(qū)動電路。每送入一個字節(jié)就完成了一個模塊的一個行的數(shù)據(jù)置入,其優(yōu)點是數(shù)據(jù)的刷新速度塊,這就減輕了上一級控制系統(tǒng)的壓力。LED點陣模塊的驅(qū)動方式

動態(tài)掃描型驅(qū)動

靜態(tài)鎖存型驅(qū)動動態(tài)掃描型驅(qū)動方式是指顯示屏上的4行、8行、16行等n行發(fā)光二極管共用一組列驅(qū)動寄存器，通過行驅(qū)動管的分時工作，使得每行LED的點亮?xí)r間占總時間的1/n，只要每行的刷新速率大于50Hz，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，人們就可以看到一幅完整的文字或畫面。

圖2串行移位工作時序圖圖1顯示驅(qū)動電路

表3-374HC595各引腳詳細(xì)說