第2章第1節(jié)發(fā)光二極管

1、上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換1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。v 必要性v接收信息v傳輸信息上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換2第2章 電光信息轉(zhuǎn)換v基本要求v發(fā)光光譜特性v發(fā)光強度v穩(wěn)定性v發(fā)光面積v發(fā)光效率v空間分布v壽命上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換32.1 發(fā)光二極管2.1 發(fā)光二極管（LED）n半導體光源的物理基礎(chǔ)nLED的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動 nLED的特性n應(yīng)用 上一張上一張章首章首下一

2、張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換42.1 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)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)激發(fā)態(tài)。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換5n 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E2E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhvn 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-

3、E1光子一、三種躍遷發(fā)光二極管與半導體激光器，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，發(fā)光，前者輻射光非相干的，后者輻射光是相干的后者輻射光是相干的上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換62.1 發(fā)光二極管 n 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 kTEEENN1212expKJ/10381. 123k 式中， ，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第

4、2章 電光信息轉(zhuǎn)換72.1 發(fā)光二極管n在熱平衡狀態(tài)下，總是有N1N2。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)吸收物質(zhì)。n 如果 N2N1 ，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)）增益介質(zhì)（或激活介質(zhì)）。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換82.1 發(fā)光二極管n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 導帶 價帶 Ec Ev Ef Eg Eg/2 Eg/2 能量 (a) 本征半導體導帶價帶EcEv

5、EfEg(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。能量之間的差稱為禁帶寬度，電子不能處于禁帶。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換92.1 發(fā)光二極管n 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 kTEEEPfexp11)(T0，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)的和費米能級中，被電子占據(jù)的和空穴

6、占據(jù)的概率相等空穴占據(jù)的概率相等。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換102.1 發(fā)光二極管 n本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)n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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換112.1 發(fā)光二極管 n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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換122.1 發(fā)光二極管n

7、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。n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。n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。n電子和空穴的擴散過程中，導帶電子可以躍遷到價帶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(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光上

8、一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換13內(nèi)建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴散漂移上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換142.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動一、工作原理一、工作原理 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)中電子與空穴的輻射復(fù)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

9、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)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換15二、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上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換162、 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)

10、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)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換172.1.2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、驅(qū)動電路1、直流驅(qū)動、直流驅(qū)動2、交流驅(qū)動、交流驅(qū)動+5VLEDReRb2Rb1Vin圖2.1.2-4 LED驅(qū)動電路3、發(fā)光二極管接入線性放大電路中、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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換18 2.1.3 LED的特性的特

11、性二、光譜特性二、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/nm=70nm相對光強圖2.1.3-1 LED光譜U(V)I(mA)一、伏安特性一、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的伏安特性圖上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換192.1.3 LED的特性四、四、 輸出光功率特性輸出光功率特性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)

12、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 0 200 400 電流I /mA 發(fā) 射 光 功率P/mW 面發(fā)光 15105 0圖2.1.3-2 LED 的P-I曲線3525120/120cos)(0PP三、三、 光束的空間分布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、五、 溫度特性溫度特性六、六、 壽命壽命上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換20 2.1.4 LED的

13、特點及應(yīng)用n一、特點一、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?？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)域。上一張上一張章首章首下一

14、張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換21n二、 應(yīng)用2.1.4 LED的特點及應(yīng)用n1、 指示燈n2 、數(shù)字、文字及圖像顯示 1) 最簡單的七段式數(shù)碼管最簡單的七段式數(shù)碼管2) 14列字碼管列字碼管3) 在文字顯示上，通常是把二極管作矩陣排列在文字顯示上，通常是把二極管作矩陣排列n3、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。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換22 2.1.3 LED的發(fā)展與應(yīng)用的發(fā)展與應(yīng)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

15、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(fù)合物制成的LED疊在發(fā)藍色光的氮化鎵LED之上。藍光撞擊Al

16、lnGaP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。超高亮度LED熱點應(yīng)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L

17、ED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(yīng)用北京2008年奧運會相關(guān)照明