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(shù)領(lǐng)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(chǎn)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(yīng)用的注入式半導(dǎo)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(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。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(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。 1. PN結(jié)注入發(fā)光結(jié)注入發(fā)光 PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖6-1 所示。當(dāng)加正偏壓時，PN結(jié)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(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。 2. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-13（a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時結(jié)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(fù)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(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaSb區(qū)復(fù)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(jié)構(gòu) 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(zhì)結(jié)GaAsAIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。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(zhì)結(jié)InGaAsPInP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。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(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)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(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)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(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)。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(guān)系為hcE。復(fù)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(dāng)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(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)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(nèi)部量子效率與外部量子

7、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r和rn，其中輻射復(fù)合率與1/r成正比，無輻射復(fù)合率為1/rn，內(nèi)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(fù)合的載流子壽命,rn是無輻射復(fù)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(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(dá)界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(yīng)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(zhì)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(yīng)快，短于1s，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。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。 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(guān)系曲線。 3. 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 ReiLdn(6-3) 式中，是載流子輻射復(fù)合壽命R和非輻射

10、復(fù)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(guān)系曲線。這些LED的亮度與電流密度近似成線性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)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(nèi)量子效率in的相對值與電流密度J及溫度T的關(guān)系。隨著電流密度的增加，pn結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴散，使發(fā)光效率降低。 因此，最大電流密度應(yīng)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(nèi)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(dǎo)通特性。這時，正向電流與電壓的關(guān)系為 iioexp(eV/mkT) (6-5) 式中，m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i0.1mA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(biāo)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(jīng)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(dá)106h，最長可達(dá)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(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。 7. 響應(yīng)時間 在快速顯示時，標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)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(yīng)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(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時間許可的范圍內(nèi)。 8. 光強發(fā)布 不同型

13、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。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(zhǔn)關(guān)于角度的函數(shù)Iv=f ()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。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1/2表示。半角寬度，光軸與機械軸偏向角的測量在實際應(yīng)用中是非常重要的環(huán)節(jié)。因此，設(shè)計出多種測量設(shè)備。天津市耀輝光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LEDA-型發(fā)光角度特性測試儀為其最佳產(chǎn)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(qū)動電路驅(qū)動電路 LED工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)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(diào)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