第2章第1節(jié)發(fā)光二極管

第2章電光信息轉換第2章電光信息轉換器件

將電信號轉換為光信號的器件稱為電光轉換器件。必要性接收信息傳輸信息1第2章電光信息轉換第2章電光信息轉換基本要求發(fā)光光譜特性發(fā)光強度穩(wěn)定性發(fā)光面積發(fā)光效率空間分布壽命2第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管§2.1發(fā)光二極管（LED）半導體光源的物理基礎LED的工作原理、結構及驅動LED的特性應用3第2章電光信息轉換§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)。4第2章電光信息轉換

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E2E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv

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-E1光子一、三種躍遷發(fā)光二極管與半導體激光器，分別屬于自發(fā)輻射和受激輻射發(fā)光，前者輻射光非相干的，后者輻射光是相干的5第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管

設在單位物質內，處于低能級E1和處于高能級E2的原子數分別為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

式中，，為玻耳茲曼常數，T為熱力學溫度。6第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管在熱平衡狀態(tài)下，總是有N1>N2。受激吸收速率大于受激輻射速率。當光通過這種物質時，光強按指數衰減，這種物質稱為吸收物質。如果N2>N1

，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當光通過這種物質時，就會產生放大作用，這種物質稱為增益介質（或激活介質）。

7第2章電光信息轉換§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。導帶帶價EcEvEfEg(b)N型半導體(a)本征半導體導帶價帶EcEvEfEg(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，能量之間的差稱為禁帶寬度，電子不能處于禁帶。8第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管

根據量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米-狄拉克分布

T→0，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，用來描述半導體中各能級被電子占據的狀態(tài)，在費米能級中，被電子占據的和空穴占據的概率相等。9第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管本征半導體的能帶結構對于本征半導體，電子和空穴成對出現，費米能級在禁帶的中間位置。10第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管雜質半導體的費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系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。11第2章電光信息轉換§2.1發(fā)光二極管在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子（電子或空穴）的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場，如下圖所示。內部電場產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，結果能帶發(fā)生傾斜。當在PN結上加正向電壓，產生于內部電場相反方向的外電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。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，結果獲得粒子數反轉分布。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合，產生自發(fā)輻射光12第2章電光信息轉換內建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴散漂移13第2章電光信息轉換§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（lightemittingdiode，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生粒子數反轉分布，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雙異質結半導體發(fā)光二極管的結構示意圖反型異質結同型異質結14第2章電光信息轉換二、基本結構

1、面發(fā)光二極管

圖2.1.2-2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

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結層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔15第2章電光信息轉換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

金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質結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)16第2章電光信息轉換§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結構及驅動

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、驅動電路1、直流驅動2、交流驅動~+5VLEDReRb2Rb1Vin圖2.1.2-4LED驅動電路3、發(fā)光二極管接入線性放大電路中通過調節(jié)三極管基極偏置電壓，可以獲得需要的輻射光功率。17第2章電光信息轉換

§2.1.3LED的特性二、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/nmΔλ=70nm相對光強圖2.1.3-1LED光譜U(V)I(mA)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18第2章電光信息轉換§2.1.3LED的特性

四、

輸出光功率特性LED實際輸出的光子數遠遠少于有源區(qū)產生的光子數，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)熱產生飽和現象，使P-I曲線的斜率減小。

邊發(fā)光

0200400電流I/mA

發(fā)射光功率P/mW

面發(fā)光151050圖2.1.3-2LED的P-I曲線三、

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、

溫度特性六、

壽命19第2章電光信息轉換

§2.1.4LED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。

4、壽命長，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應用領域。20第2章電光信息轉換二、

應用§2.1.4LED的特點及應用

1、

指示燈2、數字、文字及圖像顯示1)最簡單的七段式數碼管2)14列字碼管3)在文字顯示上，通常是把二極管作矩陣排列·3、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。21第2章電光信息轉換

§2.1.3LED的發(fā)展與應用白光LED

一種方法是將不同顏色的LED混合在一起產生白光。就像電視用熾熱的紅、綠、藍色熒光粉來產生各種顏色，當然也包括白色，恰當的LED組合也可以產生白光。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，在這種裝置的內部涂上一層磷光劑，磷光劑在受到藍色光照射后會產生白光，從而實現了一個白光發(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)半導體復合物制成的LED疊在發(fā)藍色光的氮化鎵LED之上。藍光撞擊AllnGaP層；一些藍色光子釋放能量并產生桔黃色的光子；其他的光子則通過AllnGaP合金層。選擇適當的材料和厚度就可以使通過的光子混合而產生白光。對于多芯片的設計，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。22第2章電光信息轉換超高亮度LED熱點應用大、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顯示屏。汽車用燈汽車內部的儀表板、音響指示燈、開關的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側燈、頭燈等均在逐步采用LED顯示。據報道，2001年全世界超高亮度LED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，現階段手機背光源用量非常大，一年要用35億只LED。據報道，全世界2001年超高亮度LED在背光源上的用量占30%的份額。目前中國手機生產量很大，而且大部分LED背光源還是進口的，對於中國LED產品來說，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換代，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應用北京2008年奧運會相關照明顯示工程中LED的項目，這是個推動LED照明業(yè)發(fā)展的極好機會。另外，只有