發(fā)光器件與光電耦合器件

1、第6章 發(fā)光器件與光電耦合器件 通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術領域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。 本章主要介紹目前已得到廣泛應用的注入式半導體發(fā)光器件及光電耦合器件。 6.1 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。進十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有

2、許多優(yōu)點。 6.1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機理 發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和 N型半導體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結注入發(fā)光與異質結注入發(fā)光兩種。 1. PN結注入發(fā)光結注入發(fā)光 PN結處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖6-1 所示。當加正偏壓時，PN結區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。 2. 異質結注入發(fā)光異質結注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質結。圖2-13（a）表示理想的異質結能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時結區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴散。 對n區(qū)電

3、子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-13（b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異質結后，n-GaAs的空穴注入n-GaSb區(qū)復合發(fā)光。 由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2 小得多，它進入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2 基本結構 1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 圖6-3所示為波長0.80.9m的雙異質結GaAsAIGaAs面發(fā)光型LED的結構。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50m，厚度小于2.5m。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)

4、平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120。 2. 邊發(fā)光二極管 圖6-4所示為波長1.3m的雙異質結InGaAsPInP邊發(fā)光型LED的結構。它的核心部分是一個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源層產生的光輻射從其端面射出。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5070m，長度為100150m。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2535

5、，垂直方向為120。 6.1.3 LED6.1.3 LED的特性參數(shù)的特性參數(shù) 1. 發(fā)光光譜和發(fā)光效率 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。它直接決定著發(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、性質以及發(fā)光中心的結構決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強度的半寬度。對于輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長與躍遷前后的能量差E之間的關系為hcE。復合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。 例如GsAs的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的

6、禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4 和GaP的發(fā)射光譜。當GaAs1xPx中的x值不同時，峰值波長在620680nm之間變化，譜線半寬度大致為 2030nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。 峰值光子的能量還與溫度有關，它隨溫度的增加而減少。在結溫上升時，譜帶波長以0.20.3nm/的比例向長波方向移動。 發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cdA（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。 發(fā)光效率由內部量子效率與外部量子

7、效率決定。內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合率（包括輻射復合和無輻射復合），而復合率又分別決定于載流子壽命r和rn，其中輻射復合率與1/r成正比，無輻射復合率為1/rn，內部量子效率為 nr11rieoinnn（6-1） 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),r是輻射復合的載流子壽命,rn是無輻射復合的載流子壽命。由式中可以看出，只有rnr，才能獲得有效的光子發(fā)射。 必須指出，輻射復合發(fā)光的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。光子通過半導體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產生全反射而返回晶體內部后

8、被吸收，只有一部分發(fā)射出去。因此，將單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時間內注入到器件的電子-空穴對數(shù)nin定義為外部量子效率ex，即inexnnex(6-2) 對 GaAs這類直接帶隙半導體，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O紅光發(fā)射效率ev很小，最高為15；發(fā)綠光的GaPN的ev約為0.7；對發(fā)紅光的 GaAs0.6P0.4，其ex約為0.4；對發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev約為 0.1。 2. 時間響應特性與溫度特性 提高外部量子效率的措施有三條： 用比空氣折射率高的透明物質如環(huán)氧樹脂（n2 =1.55）涂敷在發(fā)光二極管上； 把晶體表面加工成半球形

9、； 用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。 發(fā)光二極管的時間響應快，短于1s，比人眼的時間響應要快得多，但用作光信號傳遞時，響應時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應時間取決于注入載流子非發(fā)光復合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。 通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖6-6 表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發(fā)光二極管的相對光亮度Le,r與溫度t的關系曲線。 3. 發(fā)光亮度與電流的關系 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之間的關系為 ReiLdn(6-3) 式中，是載流子輻射復合壽命R和非輻射

10、復合壽命NR的函數(shù) 如圖6-7所示為GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關系曲線。這些LED的亮度與電流密度近似成線性關系，且在很大范圍內不易飽和。 4. 最大工作電流 若工作電流較小，LED發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。圖6-8所示為發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內量子效率in的相對值與電流密度J及溫度T的關系。隨著電流密度的增加，pn結溫度升高，將導致熱擴散，使發(fā)光效率降低。 因此，最大電流密度應低于最大發(fā)射效率時的值。若LED的最大功耗為Pmax，則其最大的電流為 ddd

11、fffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4） 式中，rd為LED的內阻；If、Uf均為它在較小電流時的電流和壓降。 5. 伏安特性 LED的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特性。這時，正向電流與電壓的關系為 iioexp(eV/mkT) (6-5) 式中，m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流i0.1mA時，通過結內深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m1。因而實際測得的m值大小可以標志器件發(fā)光特性的好壞。 6. 壽命 LED的壽命定義

12、為亮度降低到原有亮度一半時所經歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。 7. 響應時間 在快速顯示時，標志器件對信息反應速度的物理量叫響應時間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。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。它的響應時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應時間許可的范圍內。 8. 光強發(fā)布 不同型

13、號的LED發(fā)出的光在半球空間內具有不同的光強分布規(guī)律。常如圖6-10所示其機械軸與光軸往往并不重疊而在空間上具有夾角，LED的發(fā)光強度是光軸為基準關于角度的函數(shù)Iv=f ()不同的應用對分布函數(shù)的要求不同，希望遠距離傳輸光能量的應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。發(fā)光強度衰減到一半時所對應的角度稱為LED的半發(fā)光強度角（或半角），用1/2表示。半角寬度，光軸與機械軸偏向角的測量在實際應用中是非常重要的環(huán)節(jié)。因此，設計出多種測量設備。天津市耀輝光電技術有限公司生產的LEDA-型發(fā)光角度特性測試儀為其最佳產品。它能夠同時測量“偏向角”、“半角”和LED正、反向電流、電壓等特性參數(shù)。6.1.4 6.1.4 驅動電路驅動電路 LED工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅動電流。典型的驅動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的