光電信息技術 課件：第2章 電光信息轉換（2_1光電二極管）

1、1,第2章 電光信息轉換,第2章 電光信息轉換 將電信號轉換為光信號的器件稱為光電轉換器件 。 本章主要介紹發(fā)光二極管、半導體激光器、液晶顯示器、陰極射線管及等離子顯示板。,2,第2章 電光信息轉換,第2章 電光信息轉換 2.1 發(fā)光二極管 2.2 半導體激光器 2.3 液晶顯示器 2.4 陰極射線管 2.5 等離子顯示,3,2.1 發(fā)光二極管,2.1 發(fā)光二極管 2.1.1 半導體光源的物理基礎 2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動 2.1.3 LED的特性 2.1.4 LED的特點及應用,4,2.1 發(fā)光二極管,2.1 發(fā)光二極管 2.1.1 半導體光源的物理基礎 在物質的原子中，存

2、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)。 電子在低能級與高能級之間可以有3 種躍遷，下面以E1與E2能級為例進行介紹。,5,（1）受激吸收,（2）自發(fā)輻射,（3）受激輻射,6,2.1 發(fā)光二極管,設在單位物質內(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 2.1.1-1,式中， ，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。,7,2.1 發(fā)光二極管,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。當光通過這種物質時，光強按指數(shù)衰減，這種物質稱為吸收物質。 如果 ，即受激輻射速率大于受激

3、吸收速率，當光通過這種物質時，就會產(chǎn)生放大作用，這種物質稱為增益介質（或激活介質）。,8,2.1 發(fā)光二極管,半導體是由大量原子有序排列構成的共價晶體。,(a) 本征半導體 (b) N型半導體 (c) P型半導體 圖2.1.1-2半導體的能帶和電子分布,9,2.1 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 2.1.1-2,稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。,10,2.1 發(fā)光二極管,在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體 。 在本征半導體中摻入受主雜質，稱為P型半導體 。 在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存

4、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，如圖2.1.1-3 所示。,11,2.1 發(fā)光二極管,圖2.1.1-3 PN 結內(nèi)建電場的形成及載流子的運動,12,2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動,2.1.2 發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動 一、工作原理 發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN結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)反轉分布，也不需要光學諧振腔，發(fā)射的是非相干光。 圖2.1.2-1雙異質結半導體發(fā)光二極管的結構示意圖,13,二、基本結構 1、面發(fā)光二極管 圖2.1.2

5、-2 面發(fā)光二極管的結構示意圖,2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動,14,2、 邊發(fā)光二極管 圖2.1.2-3邊發(fā)光型LED的結構示意圖,2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動,15,三、驅動電路 圖2.1.2-4 LED驅動電路,2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動,16,2.1.3 LED的特性,2.1.3 LED的特性 一、光譜特性 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。 圖2.1.3-1 LED光譜 圖2.1.3-2 LED 的P-I曲線,17,二、 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

6、 ，半功率點輻射角 。邊發(fā)光型LED， ， 。,2.1.3 LED的特性,三、 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。驅動電流較小時，P-I曲線的線性較好；電流過大時，由于PN結發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。,18,2.1.4 LED的特點及應用,2.1.4 LED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

7、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的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認。正是基于,19,2.1.4 LED的特點及應用,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用正迅速擴大。 4、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、低電流驅動的特點，作為電子儀器設備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。 5、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕?、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應用領域。,20,二、 應用 1、 指示燈 2 、數(shù)字顯示用顯示器 利用LED進行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。 圖2.1.4-1點矩陣型數(shù)字顯示 圖2.1.4-2