光電信息處理技術：發(fā)光二極管

1第一章光電顯示技術發(fā)光二極管液晶顯示等離子體顯示電致發(fā)光及場致發(fā)光器件激光顯示2§1.1發(fā)光二極管§1.1.1半導體光源的物理基礎§1.1.2發(fā)光二極管的工作原理§1.1.3LED的特點及應用3

§1.1發(fā)光二極管§1.1.1半導體光源的物理基礎1、基本概念在物質的原子中，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)。

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。4（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射（3）受激輻射5

設在單位物質內，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。

6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）。

價帶導帶禁帶價帶：能量最高的被價電子填滿的能帶導帶：價帶以上的能帶，基本上是空的禁帶：價帶與導帶之間的區(qū)域半導體是由大量原子有序排列構成的共價晶體。n型半導體的能帶示意圖

實際上，晶體總是含有缺陷和雜質的，半導體的許多特性是由所含的雜質和缺陷決定的。因此半導體分為兩類：本征半導體：完全純凈和結構完整的半導體雜質半導體N型半導體(摻有施主雜質原子，有額外的電子)P型半導體(摻有受主雜質原子，有額外的空穴)假定取代半導體的原子的另一種物質的原子比半導體的原子具有較多的價帶電子。相反地，雜質原子可以比半導體原子具有較少的價帶電子。p型半導體的能帶示意圖總結：為了使半導體的電導率發(fā)生大的變化，對于每一百萬個半導體原子，大約有一個雜質原子就足夠了，因為雜質的電離能比禁帶寬度要小得多，所以雜質的種類和數(shù)量對半導體的導電性能影響很大。10

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

4.1.1-2

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)。內電場E因多子濃度差形成內電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層2、PN結及其單向導電性

①PN結的形成

少子漂移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流，總電流＝0平衡PN結能帶圖P型N型EfpEfnEf能級彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費米能級P型N型p-n結的能帶圖②PN結的單向導電性(A)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

(B)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

外電場的方向與內電場方向相同。

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。17

將二極管N型的一端與電路的負極相連，同時P型的那一端與正極相連。N型材料中的自由電子被負極排斥，又被正極吸引；而P型材料中的空穴會沿反方向移動。如果兩電極之間的電壓足夠高，耗盡區(qū)內的電子會被推出空穴，從而再次獲得自由移動的能力。此時耗盡區(qū)消失，電荷可以通過二極管。1.1.2發(fā)光二極管的工作原理18

若將P型端連接到電路負極、N型端連接到正極的話，電流將不會流動。N型材料中帶負電的電子會被吸引到正極上；P型材料中帶正電的空穴則會被吸引到負極上。由于空穴與電子各自沿著錯誤的方向運動，PN結將不會有電流通過，耗盡區(qū)也會擴大。19自由電子通過二極管時會陷入P型層中的空穴。這一過程涉及電子從傳導帶到低軌道的跌落，因而電子會以光子的形式釋放出能量。這種發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)輻射過程。

PN結上加正向偏壓時：LED的發(fā)光原理20

盡管所有的二極管都能發(fā)光，但大多數(shù)發(fā)光效果并不好。在普通二極管內，大量的光能最終會被半導體材料自身吸收。LED因其獨特的構造，可以向外釋放大量的光子。另外，它們被安置在一個可以將光線匯聚到某一特定方向的塑料燈泡里面。二極管發(fā)出的大部分光線被燈泡側壁反射回來，然后繼續(xù)傳播，直至它們穿過燈泡的圓形頂端。

21發(fā)光二極管(LED)22基本結構

1、面發(fā)光二極管

圖1.1.2-2面發(fā)光二極管的結構示意圖有源區(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232、

邊發(fā)光二極管

圖1.1.2-3邊發(fā)光型LED的結構示意圖金屬化層(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)24電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%。響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級?！?.1.3LED的特點及應用25對環(huán)境污染：無有害金屬汞。顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。26二、

應用

1、

指示燈

在LED的應用中，首先應舉出的是各種類型的指示燈、信號燈等。以前，作為顯示用光源，一直采用普通鎢絲白熾燈泡，但存在耐振性差、易破碎等問題。隨著LED的登場，特別是鑒于LED的許多優(yōu)點，指示燈目前正處于更新?lián)Q代中。通常，LED的壽命在數(shù)十萬小時以上（在規(guī)定的使用條件下），為普通白熾燈泡的100倍以上。而且具有功耗小、發(fā)光響應速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應用中占有明顯優(yōu)勢。272、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1.1.4-1點矩陣型數(shù)字顯示圖1.1.4-2字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框