半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件

1、半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件半導(dǎo)體發(fā)光材料及器件大大 綱綱 1.0 概述概述 1.1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 1.3 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管1.0 概述概述應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 信息顯示信息顯示 光纖通信光纖通信 固態(tài)照明固態(tài)照明 國防國防 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 III-V族半導(dǎo)體材料族半導(dǎo)體材料 ： GaAs(砷化鎵砷化鎵)、GaP(磷化鎵磷化鎵)、GaN(氮化鎵氮化鎵)、InGaN(銦鎵氮銦鎵氮)、GaAsP(磷砷化鎵磷砷化鎵)、GaAlAs(鎵鋁砷鎵鋁砷)等等 II-

2、VI族半導(dǎo)體化合物族半導(dǎo)體化合物 ： ZnS(硫化鋅硫化鋅)、ZnSe(硒化鋅硒化鋅) 1.0 概述概述1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 能帶、導(dǎo)帶、價帶、禁帶、直接帶隙材料、間接帶隙材料、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體、1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ) 能級能級：孤立原子中電子的軌道，形成分離的能級。 能帶能帶：原子緊密結(jié)合時，電子的軌道發(fā)生分裂，單個原子中電子的軌道數(shù)正比于緊密結(jié)合的原子數(shù) 。軌道能量之差變得非常小，能級可視為近似連續(xù)分布，稱為能帶。 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)

3、體發(fā)光基礎(chǔ) 在絕對零度，可以被電子填滿的最高能帶形成價帶價帶。 價帶之上，電子可以擺脫單個原子束縛，并在整個半導(dǎo)體材料中自由移動的能帶，稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶。 對半導(dǎo)體而言，價帶與導(dǎo)帶之間由禁帶禁帶相隔。 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)直接帶隙直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體：如果導(dǎo)帶底與價帶頂對應(yīng)相同的波數(shù)，則相應(yīng)的帶隙為直接帶隙。如果導(dǎo)帶底與價帶頂對應(yīng)不同的波數(shù)，則相應(yīng)的帶隙為間接帶隙。半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)直接帶隙半導(dǎo)體材料：發(fā)光器件間接帶隙半導(dǎo)體材料：光電探測器 半導(dǎo)體物理

4、基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體： 本征半導(dǎo)體是純凈而不含任何雜質(zhì)的理想半導(dǎo)體材料。 由于晶體中原子的熱振動，價帶中的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下空穴，形成電子-空穴對。因此，本征半導(dǎo)體中的電子濃度與空穴濃度相等。半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)非本征半導(dǎo)體： 本征半導(dǎo)體內(nèi)引入一定數(shù)量的雜質(zhì)，可以有效改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)，這種摻有一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)本征與非本征半導(dǎo)體的費米能級：

5、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 費米能級 如果一個能帶中的某一個能級的能量設(shè)為E，則該能級被電子占據(jù)的概率是符合一個函數(shù)規(guī)律的即為f（E），f（E）稱為費米函數(shù)。當(dāng)f（E）=1/2時，得出的E的值對應(yīng)的能級為費米能級。一般近似的認(rèn)為費米能級以下的能級都被電子所填充。電子從費米能級高的一側(cè)向低費米能級一側(cè)流動。1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)熱平衡條件下的濃度定律：濃度定律的推論？濃度定律的推論？熱平衡？在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。 2expgicvBEpnnN NK T*3 222 2/ceBNm k Th*3 222 2/vhBNm k

6、 Th半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) Nc:導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)PN結(jié)：擴(kuò)散、漂移、自建場、耗盡層、正偏、反偏半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光一、輻射躍遷：一、輻射躍遷： 半導(dǎo)體材料中的電子由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，以光子的形式釋放多余的能量，這稱為輻射躍遷，輻射躍遷的過程也就是半導(dǎo)體材料的發(fā)光過程。 躍遷是電子-空穴對復(fù)合1 .1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光激勵：激勵： 光致發(fā)光光致發(fā)光 電致發(fā)光電致發(fā)光1 .1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)

7、體發(fā)光基礎(chǔ)弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定弛豫：從不穩(wěn)定到穩(wěn)定半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光二、輻射躍遷與非輻射躍遷二、輻射躍遷與非輻射躍遷： 電子由較高能級躍遷至低能級并不發(fā)出電磁輻射，稱作非輻射躍遷。 例如，處于亞穩(wěn)能級的原子和離子在高真空條件下通過輻射過程而躍遷到低能級一般是很慢的，在氣體放電現(xiàn)象中它會通過碰撞或者向器壁的擴(kuò)散而快速地釋放能量，從而躍遷到低能級。 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光同時考慮輻射躍遷過程和非輻射躍遷過程時，則有： 11totalRNRRNRdNNNNdt 1111RRRNRRNRNN發(fā)光效率：發(fā)光效率： 高效率的發(fā)光器件需要輻射壽命遠(yuǎn)小于非

8、輻射壽命高效率的發(fā)光器件需要輻射壽命遠(yuǎn)小于非輻射壽命 。1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光三、直接帶隙材料與間接帶隙材料的輻射躍遷：1.240()()gmEeV 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h= 6.626068 10-34 m2 kg / se=1.602189210-19C 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光gpEE光子能量光子能量 1 .1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)半導(dǎo)體及半導(dǎo)體發(fā)光基礎(chǔ)1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 一、發(fā)光材料概述：一

9、、發(fā)光材料概述： 主要的半導(dǎo)體發(fā)光材料為直接帶隙的III-V族半導(dǎo)體材料，以及由它們組成的三元、四元固溶體。 固溶體指的是礦物一定結(jié)晶構(gòu)造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結(jié)構(gòu)及對稱性等。 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料室溫下室溫下III-V族發(fā)光材料的發(fā)射波長范圍族發(fā)光材料的發(fā)射波長范圍發(fā)射波段寬的材料有什么相同點？發(fā)射波段寬的材料有什么相同點？一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述：1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)光范圍覆蓋了紫外、可見光到紅外的很寬范圍的光譜。 在具體應(yīng)用中，根據(jù)需要，為了獲得特定波長范圍的自發(fā)或受激輻射光波，則需選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料。

10、 半導(dǎo)體材料多元固溶體的帶隙隨成分的比例而變化，可以獲得不同的發(fā)射波長。一、發(fā)光材料概述：一、發(fā)光材料概述： 1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 GaAs GaAs是一種重要的III-V族化合物半導(dǎo)體，典型的直接躍遷型發(fā)光材料。直接躍遷發(fā)射的光子能量在左右，相應(yīng)波長在873nm附近，屬于近紅外波段。砷化鎵屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，由極性共價鍵結(jié)合，離子性為。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 GaP 間接帶隙寬度，典型的間接發(fā)光材料。在GaP中通過摻入雜質(zhì)(例如N)，產(chǎn)生等電子陷阱，俘獲激子，通過激子復(fù)合實現(xiàn)發(fā)光。 在半導(dǎo)體發(fā)光材料中具有較高的發(fā)光效率。并

11、且通過摻入不同的發(fā)光中心，可以直接輸出紅、綠、黃燈等種不同顏色的光。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料激子： 空穴帶正電，自由電子帶負(fù)電，它們之間的庫侖吸引互作用在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復(fù)合體稱為激子。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的俘獲： 一個電荷(電子或空穴)首先被缺陷的近程勢所束縛，使缺陷中心帶電,然后再通過庫侖互作用(遠(yuǎn)程勢)束縛一個電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子 。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料激子的

12、復(fù)合發(fā)光： 在間接帶隙半導(dǎo)體材料中，由于動量選擇定則的限制，材料的發(fā)光通常是很弱的，但如果存在束縛激子，其波函數(shù)在空間上是局域化的，因而發(fā)光躍遷的動量選擇定則大大放松，無須聲子參與就可能具有很大的發(fā)光躍遷幾率。這樣，間接帶材料的發(fā)光效率將大大增強。 二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 GaN 直接躍遷型半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點。室溫條件下，帶隙寬度纖鋅礦結(jié)構(gòu)，可外延生長單晶。3.39gEeV二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 GaN與III族氮化物半導(dǎo)體InN及AlN的性質(zhì)接

13、近，均為直接躍遷型半導(dǎo)體材料，它們構(gòu)成的三元固溶體的帶隙可以從連續(xù)變化到。 GaN是性能優(yōu)良的短波長半導(dǎo)體發(fā)光材料，可用于藍(lán)光及紫光發(fā)光器件。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料 InGaAsP 四元固溶體。通過組分x和y的調(diào)節(jié)，覆蓋波長范圍從870nm(GaAs)至3.5m(InAs)，該范圍包含了光纖通訊波長和。光纖通訊所用和半導(dǎo)體光源即主要采用InGaAsP材料。1-xx1-yyInGa AsP二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料SiCSiC有無限多個晶型，根據(jù)晶格結(jié)構(gòu)的不同，帶隙寬度在2eV3eV之

14、間。屬于間接躍遷型半導(dǎo)體材料?？赏ㄟ^發(fā)光中心實現(xiàn)發(fā)光，SiC發(fā)光可以覆蓋整個可見光及紫外光譜范圍，SiC藍(lán)光LED已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料1.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料二、典型半導(dǎo)體發(fā)光材料nZnS （熒光粉）（熒光粉）II-VI族半導(dǎo)體化合物，帶隙寬度為。使用族半導(dǎo)體化合物，帶隙寬度為。使用ZnS粉末，用粉末，用Cu作作為激活劑，可以在交流驅(qū)動下，實現(xiàn)場致發(fā)光。發(fā)光光譜為激活劑，可以在交流驅(qū)動下，實現(xiàn)場致發(fā)光。發(fā)光光譜可覆蓋整個可見光波段?？筛采w整個可見光波段。 發(fā)光二極管Light Emitting Diode1.3 發(fā)光二

15、極管發(fā)光二極管大功率大功率3W，5WRGB三基色三基色LED燈燈1.發(fā)光二極管的管芯是PN結(jié)，構(gòu)成PN結(jié)的材料為直接帶隙材料； 2、當(dāng)加正向偏置時勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是P-N結(jié)發(fā)光的原理。3 當(dāng)注入正向電流時，注入結(jié)區(qū)的非平 衡載流子在擴(kuò)散過程中自發(fā)輻射發(fā)出非相干光。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，也不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管一、工作原理一、工作原理全內(nèi)反射造成大部分光復(fù)發(fā)逃逸形成有效光輻射；只有小

16、于全反射臨界角的光才能形成部分反射大部分離開發(fā)光二極管，形成有效的光輻射。例如GaAs-空氣界面的臨界角只有16。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu) 同質(zhì)結(jié)LED在基底上依次生長一層n型層和p型層，p型層相對較薄，以減少半導(dǎo)體材料的再吸收，有利于輻射符合產(chǎn)生的光子逃逸。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)指通常所說的指通常所說的LED的發(fā)光角度，的發(fā)光角度，1/2是指發(fā)光強度值為軸向是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸線（法線）的夾角，強度值一半的方向與發(fā)光軸線（法線）的夾角，21/2指左指左右兩個方向的夾角之和。右兩個方向的夾角之和。如下圖所示

17、如下圖所示一般貼片一般貼片 LED系列系列的發(fā)光角度為的發(fā)光角度為110至至120度之間，行度之間，行業(yè)一般標(biāo)注業(yè)一般標(biāo)注120度。度。2. 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)LED 作用：由于作用：由于ALGaAs的帶隙寬于的帶隙寬于GaAs，在，在GaAs中發(fā)射的光子不被中發(fā)射的光子不被ALGaAs吸收，減小光吸吸收，減小光吸收收 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光輸出光輸出1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu)1.效率1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 三、主要光學(xué)特性三、主要光學(xué)特性eIhfP/intinthfPhfPextre/intextreexteIhfPint

18、/IUPpower1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管2.光譜分析光譜分析hckTg21hckT28 . 11.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管3.光強分布朗伯分布cos4222sairsourceairnnrPI4.溫度特性溫度特性cTKTKII300300e固態(tài)照明-白光白光LED發(fā)光二極管替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，由于發(fā)光二極管采用材料均為固態(tài)材料，發(fā)光二極管照明亦稱為固態(tài)照明。原理：二波長光混色(藍(lán)色光+黃色光) GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm ） ； 藍(lán)光激發(fā)Ce(鈰)：YAG（ Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩爾比為3：5 ）熒光粉，發(fā)射黃色光，峰值550nm ； 藍(lán)光和黃光混合，

19、得到白光。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 四、發(fā)光二極管的典型應(yīng)用四、發(fā)光二極管的典型應(yīng)用2.結(jié)構(gòu)： 藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 在同一個發(fā)光單元中有三種顏色的LED ，LED緊密排列，這樣可使得各LED的光斑人眼中成像重疊; 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 五、全彩五、全彩LED 獨立控制發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級別，亦即控制每個發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)三種顏色各自的亮度，就可使發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管優(yōu)點：壽命長壽命長,理論上為10萬小時，一般大於5萬小時。（是熒光燈

20、的10倍）發(fā)熱量低，耗電量小發(fā)熱量低，耗電量小,白熾燈的1/8,熒光燈的1/3）體積小體積小,重量輕重量輕,可封裝成可封裝成各種類型堅固耐用堅固耐用,不怕震動不怕震動。環(huán)氧樹脂封裝，防水，耐惡劣環(huán)境使用1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管多色顯示多色顯示, ,利用RGB可實現(xiàn)七彩色顯示。工作溫度穩(wěn)定性好。工作溫度穩(wěn)定性好。響應(yīng)時間快響應(yīng)時間快, ,一般為毫微秒一般為毫微秒(ns)(ns)級。級。冷光，不是熱光源。冷光，不是熱光源。電壓低電壓低, ,可以用太陽能電池作電源可以用太陽能電池作電源1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管應(yīng)用： 亮化工程景觀、裝飾燈 作為一種冷光源，LED照明燈具有綠色環(huán)保、節(jié)能、色彩絢

21、麗等傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)點，對美化城市、塑造景觀有重要作用。 白光照明：已開始從小功率白光LED燈用起，如、手電筒、太陽能燈等，并逐步向白光照明邁進(jìn)，將逐步取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈 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1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 交通信號燈：主要用超高亮度紅、綠、黃色LED 背光源：主要是液晶LCD顯示器上用的背光源，LED在背光源上的用量占30%的份額。 LED指示燈：廣泛用于各種家電，儀器，設(shè)備之電源指示1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED強光手電筒的選用及與普通手電筒的區(qū)別強光手電筒的選用及與普通手電筒的區(qū)別 LED手電用多支手電用多支二極管

22、二極管組成組成應(yīng)用：電視遙控器 1956年第一個現(xiàn)代的無線遙控裝置，利用超聲波來調(diào)頻道和音量，每個按鍵發(fā)出的頻率不一樣。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 1980年，出現(xiàn)了基于紅外發(fā)光二極管和光電二極管的遙控器，慢慢取代了超聲波控制裝置。 目前大量使用的紅外發(fā)光二極管，波長為940nm左右。1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管IRM3638型紅外接收頭： 適宜對波長為940nm、調(diào)制頻率為38kHz紅外脈沖信號的接收。當(dāng)信號強度達(dá)到IRM的接收要求時，只需接收 6個脈沖就能可靠觸發(fā)輸出低電平信號。一旦 IRM接收不到符合要求的紅外信號將輸出高電平。 1.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體

23、激光器的工作原理雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器分布反饋式激光二極管分布反饋式激光二極管量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (Laser diode) 一、半導(dǎo)體激光器歷史和發(fā)展一、半導(dǎo)體激光器歷史和發(fā)展n19171917年，愛因斯坦提出年，愛因斯坦提出“受激輻射受激輻射”的概念；的概念；n19541954年，微波量子放大器出現(xiàn)；年，微波量子放大器出現(xiàn)；n19601960年，紅寶石激光器；年，紅寶石激光器； 1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 (laser diode)半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理

24、1962年，GaAs激光器，77K的溫度下，脈沖輸出； 1970年，半導(dǎo)體激光器的室溫下連續(xù)輸出； 波長范圍履蓋了可見光到長波紅外，壽命百萬小時，室溫下連續(xù)工作，輸出功率由幾毫瓦到千瓦級。1.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的產(chǎn)生激光的4個條件：個條件：u工作物質(zhì)工作物質(zhì)氦氖激光器氦氖激光器-氖原子氖原子 紅寶石激光器紅寶石激光器-CrO3u泵浦泵浦 （氣體放電（氣體放電-光泵浦）光泵浦）u粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) （能級、熱平衡）（能級、熱平衡） 在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。在沒有外界影響的條件下，熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。 u諧振腔諧振腔簡

25、并型半導(dǎo)體、費米 能級與PN結(jié)簡并半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量后，載流子開始簡并化簡并半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度超過一定數(shù)量后，載流子開始簡并化的現(xiàn)象稱為重?fù)诫s（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即的現(xiàn)象稱為重?fù)诫s（施主雜質(zhì)或是受主雜質(zhì)的濃度很大），即費米能級進(jìn)入了價帶或?qū)У陌雽?dǎo)體。費米能級進(jìn)入了價帶或?qū)У陌雽?dǎo)體。簡并參雜半導(dǎo)體簡并參雜半導(dǎo)體pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)圖結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)圖 簡并半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在熱平衡時，N區(qū)導(dǎo)帶底被電子占據(jù)的概率 P區(qū)價帶頂被電子占據(jù)的概率N區(qū)和P區(qū)被耗盡層分割，N區(qū)自由電子不能進(jìn)入P區(qū)復(fù)合。當(dāng)正偏時，外加加壓減小了耗盡層厚度，當(dāng)外加電壓為Eg時，耗盡層消失，P區(qū)和N區(qū)接

26、觸。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)： 當(dāng)加在PN結(jié)上的正向電壓超過某一值（eVEg）后，PN結(jié)的某段區(qū)域中導(dǎo)帶底的電子數(shù)大于價帶頂電子數(shù)，出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該區(qū)域稱為增益區(qū)(有源區(qū)) 。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理解： 外電場、電子和空穴的注入、擴(kuò)散、復(fù)合。 在PN結(jié)的某段區(qū)域，自由電子、空穴的濃度同時增大（電子占據(jù)導(dǎo)帶的概率提高，占據(jù)價帶的概率減小）。 當(dāng)電流增加到某個值時，自由電子、空穴的濃度足夠大，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度： Ge、 Si、 GaAs 、1.12 eV、1.42 eVGaAs的禁帶寬度：的禁帶寬度： 1.42 eV普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h= 6.626068 10-34 m2 kg / s

27、e=1.602189210-19C PN 結(jié)的厚度僅幾十微米；諧振腔一般是直接利用垂直于PN 結(jié)的兩個端面（解理面）GaAs的折射率n，反射率，另一面鍍?nèi)瓷淠?。法布里法布?珀羅腔，簡記為珀羅腔，簡記為F-P腔腔F-P腔：平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。又腔：平行平面腔，它由兩塊平行平面反射鏡組成。又稱為法布里稱為法布里-珀羅干涉儀，簡記為珀羅干涉儀，簡記為F-P腔。腔。)(2exp210LgRRPPi1)(2exp21LgRRi1ln2121RRLggith 半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。 外加正向偏壓將N區(qū)的電子、

28、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布. 初始的光場來源于導(dǎo)帶電子的自發(fā)輻射，方向雜亂初始的光場來源于導(dǎo)帶電子的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動的光子就成為受激輻射的外界因素，的光子就成為受激輻射的外界因素， 使之產(chǎn)生受激輻使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。射而發(fā)射全同光子。 這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出。二、半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點和缺點 優(yōu)點：l 結(jié)構(gòu)簡單；l 電流泵浦，功率轉(zhuǎn)換效率高(最大可達(dá)50%)，便于調(diào)制；缺點

29、:l 激光性能受溫度影響大；l 光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)。準(zhǔn)直器（兩個半柱透鏡）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 有效降低閾值電流，一方面要對載流子進(jìn)行限制；另一方面，有效降低閾值電流，一方面要對載流子進(jìn)行限制；另一方面，也需要一定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將光子限定在有源區(qū)附近，這可以增加光也需要一定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將光子限定在有源區(qū)附近，這可以增加光子密度，提高受激輻射的概率。子密度，提高受激輻射的概率。 利用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可以同時實現(xiàn)對載流子和光利用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可以同時實現(xiàn)對載流子和光子的限制。半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)是窄帶隙的半導(dǎo)體有源層夾在寬帶隙的子的限制。半導(dǎo)體雙異質(zhì)結(jié)是窄帶隙的半導(dǎo)體有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間形成的結(jié)構(gòu)。由于寬帶隙的半導(dǎo)體材料相比于窄帶半導(dǎo)體材料之間形成的結(jié)構(gòu)。由于寬帶隙的半導(dǎo)體材料相比于窄帶隙的半導(dǎo)體材料具有更低的折射率，這就使得該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于二維層隙的半導(dǎo)體材料具有更低的折射率，這就使得該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于二維層狀介質(zhì)波導(dǎo)，因此可以在垂直于結(jié)平面方向上同時有效地限制載流狀介質(zhì)波導(dǎo)，因此可以在垂直于結(jié)平面方向上同時有效地限制載流子和光子。子和光子。 由于由于p-p異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)和