發(fā)光二極管LED與

發(fā)光二極管LED與第1頁/共30頁發(fā)光二極管（LED）

——工作原理

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，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(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。第2頁/共30頁發(fā)光二極管（LED）

——工作原理第3頁/共30頁1、發(fā)光二極管的伏安特性曲線

表示發(fā)光二極管性能的參數(shù)有電學(xué)方面的，也有光學(xué)方面的，最基本的是發(fā)光二極管的電流-電壓特性。曲線形狀和普通半導(dǎo)體二極管差不多，電壓值很低時，幾乎沒有電流；在正向特性一邊，電壓超過1V或1.5V左右時，電流迅速上升，顯示出歐姆導(dǎo)通特性，這個電壓值稱為開啟點。開啟點電壓的大小決定于半導(dǎo)體材料。第4頁/共30頁2、光通密度與電流密度的關(guān)系

總的說來，光通密度隨著電流密度的增加而成正比例增加，但不容易出現(xiàn)飽和，鎵鋁砷和鎵砷磷發(fā)光二極管就是呈現(xiàn)這樣的特性。對于一些摻雜不是很高的材料，當(dāng)載流子達(dá)到一定數(shù)值后，光通密度達(dá)到飽和，再增加電流注入時，光通密度增加很少，甚至不再增加。電流密度/（mA·cm-2）光通密度（lm·cm-2）110102103110102103010-1磷化鎵、綠色磷化鎵、紅色鎵砷磷鎵鋁砷第5頁/共30頁3、出光效率出光效率

是指P-N結(jié)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子射到外部的百分?jǐn)?shù)。

換句話說，是表示器件內(nèi)部的光如何有效地發(fā)射出來的參數(shù)。影響因素：半導(dǎo)體本身對光的吸收；材料表面的反射（晶體和空氣折射率所決定的全反射）。第6頁/共30頁說明及解決措施

由于所用半導(dǎo)體材料的折射比空氣的折射率大得多，因此，出射角度不大時，就已經(jīng)形成了全內(nèi)反射，使得結(jié)平面產(chǎn)生的光透射不出來。即使出射角度很小時，也會有一大部分光被反射回去。光線在空氣界面折射時，按照菲涅爾射定律，有部分能量反射回去。為了提高光的透射率，人們想了很多措施，如用高折射率、低熔點的透明玻璃對管芯進(jìn)行拱形或半球形封裝。光在封裝材料內(nèi)，幾乎是垂直地入射到空氣界面，所以不會產(chǎn)生全內(nèi)反射，這樣出光效率可以提高4~7倍。第7頁/共30頁LED的特點及應(yīng)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(xiàn)各種發(fā)光顏色。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。第8頁/共30頁LED的特點及應(yīng)用３、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。4、LED單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小范圍內(nèi)也可使用，，再回上低電壓、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(jìn)一步擴(kuò)大。

第9頁/共30頁LED的特點及應(yīng)用５、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。第10頁/共30頁LED的應(yīng)用指示燈在LED的應(yīng)用中，首先應(yīng)舉出的是各種類型的指示燈、信號燈，LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上，而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動等特點，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢.第11頁/共30頁LED的應(yīng)用數(shù)字顯示用顯示器利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型如圖示，使LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。為進(jìn)行數(shù)字顯示，每個數(shù)字需要７行５列的矩陣，共需35個元件。除數(shù)字之外，還可顯示英文字符、羅馬字符、日文假名等，其視認(rèn)性也很好。第12頁/共30頁LED的應(yīng)用平面顯示器

LED還可以用于平面顯示，其優(yōu)點是，由于LED為固體元件，可靠性高，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗小；可以制作對于CRT及LCD來說不容易做出的大型顯示器等。LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陳型等幾大類。第13頁/共30頁LED的應(yīng)用

目前，用于室內(nèi)、外顯示，采用LED點矩陣型模塊的大型顯示器正在迅速推廣普及。由于采用LED點矩陣型模塊結(jié)構(gòu)，顯示板的大小可由LED發(fā)光點密集排列成任意尺寸；發(fā)光顏色可以是從紅到綠的任意單色、多色，甚至全色。灰度可以從十?dāng)?shù)階到幾十階分階調(diào)節(jié)。與專用IC相組合，也可由電視信號驅(qū)動，進(jìn)行電視畫面顯示。第14頁/共30頁LED的應(yīng)用光源

LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。如電視機(jī)、空調(diào)等的遙控器的光源。在光電檢測系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來使用。當(dāng)然在這兩個領(lǐng)域中的應(yīng)用有一定限制，如由于LED相干長度短，不適合做為大量程干涉儀的光源；在目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，由于光纖存在色散特性，LED的寬光譜將導(dǎo)致脈沖的展寬，限制系統(tǒng)的通信容量，LED只適合于低速率、短距離光纖通信系統(tǒng)。第15頁/共30頁半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器，也稱激光二極管（LaserDiode，LD），是一種光學(xué)振蕩器。產(chǎn)生激光要滿足以下條件：一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二、要有諧振腔，能起到光反饋作用，形成激光振蕩；形成形式多樣，最簡單的是法布里——帕羅諧振腔。三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是增益要大于總的損耗。第16頁/共30頁LD的諧振腔有源區(qū)注入電流解理面解理面Z＝0Z＝LR1R2增益介質(zhì)L第17頁/共30頁LD的閾值條件光在諧振腔內(nèi)往返一次不衰減的條件為：式中R1，R2為諧振腔兩個反射面的反射率，g為增益系數(shù)，L為諧振腔長，α為損耗系數(shù)。總增益內(nèi)部損耗端面損耗+總損耗第18頁/共30頁LD的主要特性

半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性。1、伏安特性

半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線如圖所示。由于工作時加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來決定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。

正向電壓/V正向電流（mA）1232004008000第19頁/共30頁LD的主要特性2.量子效率與閾值電流

在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合，一種叫無輻射復(fù)合。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率ηi表示輻射復(fù)合所占的比例。

由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會減少，因而又定義了外量子效率ηex.第20頁/共30頁LD的主要特性3.方向特性普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有(球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向性要差得多。第21頁/共30頁LD的主要特性

在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項指標(biāo)更為重要。

第22頁/共30頁LD的主要特性4.光譜特性

由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當(dāng)激勵電流低于閾值電流時，發(fā)出的光是熒光。這時的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖(a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖(b)所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時的一個特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。

第23頁/共30頁LD的主要特性

半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，GaAs激光器在77K下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾微米，目前分布反饋型激光器的譜寬只有10-4μm左右。另一方面，溫度升高時，激光峰值向長波方向移動，這是由于禁帶寬度隨溫度升高而變小，因而發(fā)射光子的頻率變小的原故（Eg=hv）。右圖表示激光峰值位置隨溫度變化的情況，縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量值和對應(yīng)的波長值。

第24頁/共30頁LD的應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)的光源光學(xué)測量系統(tǒng)的光源其他應(yīng)用第25頁/共30頁LD與LED的比較

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體激光二極管（LD）在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別就是它沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光。它的發(fā)光限于自發(fā)輻射。它發(fā)出的是熒光，而不是激光。第26頁/共30頁LD的優(yōu)點1）LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。2）LD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖時，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.03~0.04μm。3）由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠(yuǎn)，而LED的發(fā)散角一般在40°～20°范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。4)LD的輸出光強及效率較高，LED的輸出光強及效率較低。第27頁/共30頁LD的缺點1)溫度特性較差。由于激光管的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。發(fā)光二極管沒有閾值電流，故其溫度特性較好。2）易損壞，壽命短。半導(dǎo)體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如P-N結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學(xué)諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是激光二極管所獨有的，由于這一因素而大大降低了激光二極管使用壽命。3）