第2章 電光轉(zhuǎn)換器件-LED-LD

第2章電光轉(zhuǎn)換器件

1.發(fā)光二極管

2.半導(dǎo)體激光器

3.液晶顯示器

4.陰極射線管

5.等離子顯示板。

§2.1發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)LED的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)LED的特性應(yīng)用

§2.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)原子中存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子3種躍遷:（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射（3）受激輻射電子擴(kuò)散漂移空穴內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)PNPN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的形成及載流子的運(yùn)動(dòng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。在擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即λ≈1240/Eg（mm）§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)一、工作原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖P-AlxGa1-xAsN-AlyGa1-yAsP-GaAs光輸出

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光。分為：面發(fā)光型－發(fā)光功率較大

邊發(fā)光型－易與光纖耦合面發(fā)光型LED的光輸出面發(fā)光型LED用于光顯示邊發(fā)光型LED用于短距離光纖通信二、基本結(jié)構(gòu)金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導(dǎo)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)

它的核心結(jié)構(gòu)是有源層兩邊有導(dǎo)光層（限制層），構(gòu)成了以有源層為纖芯的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端面射出，發(fā)散角小。有利于發(fā)光功率有效地耦合入光纖。邊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖

三、驅(qū)動(dòng)電路輸出光功率被電信號(hào)所調(diào)制——數(shù)字、模擬。LED驅(qū)動(dòng)電路+5VLEDReRb2Rb1Vin四、符號(hào)及外形LED外形可分為圓形、方形、矩形、三角形和組合形等多種塑封LED按管體顏色又分為紅色、琥珀色、黃色、橙色、淺藍(lán)色、綠色、黑色、白色、透明無色等多種發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬，如圖所示?！?.1.3LED的特性1300波長(zhǎng)/nmΔλ=70nm相對(duì)光強(qiáng)LED光譜0200400電流I/mA發(fā)射光功率P/mW

面發(fā)光

邊發(fā)光151050LED的P-I曲線§2.1.4LED的特點(diǎn)及應(yīng)用一、特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(lán)色LED等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。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(shì)，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的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號(hào)燈的使用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。5、壽命長(zhǎng)，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉ⅠR路、廣場(chǎng)地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。二、

應(yīng)用1、

指示燈、信號(hào)燈2、數(shù)字顯示用顯示器利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。

點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示

字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框架LED芯片擴(kuò)散片3、平面顯示器

LED用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是：LED為固體元件，可靠性高，可以制作對(duì)于CRT及LCD來說不容易做出的大型顯示器。4、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。比如照明光源、電視機(jī)遙控器的光源。直流電源、整流電源及交流電源指示電路單LED電平指示電路單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用

附：(1)LED應(yīng)用舉例電平表

(2)普通發(fā)光二極管的檢測(cè)利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ，反向電阻的值為∝。(3)中國(guó)大陸LED產(chǎn)業(yè)估計(jì)到2012年末，整個(gè)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1500億元。美國(guó)市場(chǎng)研究公司CommunicationsIndustryResearchers(CIR)預(yù)測(cè)，平均每年增長(zhǎng)20%~30%，隨著LED應(yīng)用范圍的增加，這一數(shù)據(jù)有不斷增加的趨勢(shì)。我國(guó)已成為L(zhǎng)ED全彩顯示屏、太陽(yáng)能LED、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國(guó)，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國(guó)內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路。在中國(guó)LED顯示屏幕已經(jīng)大量應(yīng)用；LED汽車燈被大量應(yīng)用；應(yīng)用于LCD的LED背光目前也已經(jīng)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段；LED路燈有可能大量投入到道路照明；LED普通照明概念將更清晰等等。

20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

激光器的基本結(jié)構(gòu)§2.2激光器

一、激光的形成1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

通過外加能量打破封閉系統(tǒng)的熱平衡，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

通常，因?yàn)闊崃W(xué)的平衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，處于基態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)，這種情況得不到激光。式中，N1和N2分別為能級(jí)E1（基態(tài)）和E2（激發(fā)態(tài)）的原子數(shù)。在熱平衡狀態(tài)下，。受激吸收速率大于受激輻射速率。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果（稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，用一定的方法去激發(fā)原子群體實(shí)現(xiàn)），即受激輻射速率大于受激吸收速率，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為增益介質(zhì)（或激活介質(zhì)）。

252提供光的反饋——解理面（晶體中易于劈裂的平面）其中最簡(jiǎn)單的是法布里——珀羅腔圖2.2.1-1激光二極管的諧振腔注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L

諧振頻率

諧振條件即：腔內(nèi)允許間隔為c/2nl的m倍的不同頻率的光場(chǎng)在其中振蕩c/2nL(a)縱模分布

增益曲線損耗I(b)工作模式據(jù)相干加強(qiáng)條件相鄰兩縱模間隔§2.2.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成。圖2.2.2-1大面積半導(dǎo)體激光器電流金屬接觸P型N型有源層300μm200μm100μm解理面這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實(shí)際的激光器采用了增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)?！?.2.3半導(dǎo)體激光器特性光譜特性圖2.2.3-1GaAIAs雙異質(zhì)結(jié)激光器的光譜特性示意圖波長(zhǎng)取決于激光器的光學(xué)腔長(zhǎng)，稱為激光器的縱模。驅(qū)動(dòng)電流增大→

→832830828826824832830828826824832830828826824當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，稱為靜態(tài)單縱模激光器。轉(zhuǎn)換效率與輸出光功率特性表示，其定義為在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù):由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流，Pth和Ith分別為對(duì)應(yīng)的閾值，hf與e分別為光子能量與電子電荷。激光器的電—光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率

激光器的輸出光功率通常用P-I曲線表示（如圖）。時(shí)，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光，當(dāng)時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。典型LD的光功率特性曲線圖543210050100I

/mA發(fā)射光功率P/mW閾值電流Ith注入電流I＞Ith

,才能形成激光。器件結(jié)構(gòu)要著力于降低Ith

。溫度特性溫度變化會(huì)改變激光器的輸出光功率。原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小（如圖）。LD的P-I曲線隨溫度的變化圖發(fā)射光功率P/mW543210050100I

/mA22℃50℃70℃§2.2.4LD的應(yīng)用

一、光纖通信系統(tǒng)的光源二、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的光源三、其他應(yīng)用目前已開發(fā)出并投放市場(chǎng)的半導(dǎo)體激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纖通訊領(lǐng)域。405nm-670nm為可見光波段，780nm-1550nm為紅外光波段，390nm-370nm為紫外光波段。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。如光存儲(chǔ)、激光打印、激光照排、激光測(cè)距、條碼掃描、工業(yè)探測(cè)、測(cè)試測(cè)量?jī)x器、激光顯示、醫(yī)療儀器、軍事、安防、野外探測(cè)、建筑類掃平及標(biāo)線類儀器、實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)演示、舞臺(tái)燈光及激光表演、激光水平尺及各種標(biāo)線定位等。半導(dǎo)體激光器的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使之非常適合于軍事上的應(yīng)用，如野外測(cè)距、槍炮等的瞄準(zhǔn)、射擊模擬系統(tǒng)、致盲、對(duì)潛通信制導(dǎo)、引信、安防等。由于可用普通電池驅(qū)動(dòng)，使一些便攜式武器設(shè)備配置成為可能。舞臺(tái)燈激光筆激光武器激光武器激光武器激光武器激光武器激光武器激光武器激光武器

脈沖激光測(cè)距利用了激光的方向性強(qiáng)、能量時(shí)空相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下(見下圖，在2處裝有反射器)，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則

D=ct/2

式中c為光的傳播速度。

應(yīng)用舉例－－脈沖激光測(cè)距圖：脈沖激光測(cè)距原理圖

它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成圖:脈沖激光測(cè)距的方框圖