第2章第1節(jié)發(fā)光二極管

第2章電光信息轉(zhuǎn)換第2章電光信息轉(zhuǎn)換器件

將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的器件稱為電光轉(zhuǎn)換器件。必要性接收信息傳輸信息1第2章電光信息轉(zhuǎn)換第2章電光信息轉(zhuǎn)換基本要求發(fā)光光譜特性發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定性發(fā)光面積發(fā)光效率空間分布?jí)勖?第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管§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3第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

§2.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)在物質(zhì)的原子中，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)。4第2章電光信息轉(zhuǎn)換

受激吸收:外界入射光子能量近似等于E2-E1，電子會(huì)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(jí)的E1，釋放一個(gè)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(gè)能量E2-E1光子一、三種躍遷發(fā)光二極管與半導(dǎo)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(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

設(shè)在單位物質(zhì)內(nèi)，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，原子分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布

式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。6第2章電光信息轉(zhuǎn)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(dāng)光通過(guò)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N2>N1

，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當(dāng)光通過(guò)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)）。

7第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管半導(dǎo)體是由大量原子有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。導(dǎo)帶帶價(jià)EcEvEfEg(b)N型半導(dǎo)體(a)本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶EcEvEfEg(c)P型半導(dǎo)體

能級(jí)低的能帶稱為價(jià)帶，能級(jí)高的能帶稱為導(dǎo)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(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管

根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米-狄拉克分布

T→0，P(E)→0，這時(shí)導(dǎo)帶上幾乎沒有電子，價(jià)帶上填滿電子。Ef:費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)，在費(fèi)米能級(jí)中，被電子占據(jù)的和空穴占據(jù)的概率相等。9第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)于本征半導(dǎo)體，電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置。10第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系N型半導(dǎo)體，Ef將增大，導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴相對(duì)減小。P型半導(dǎo)體，Ef將減小，導(dǎo)帶的電子減小，價(jià)帶的空穴相對(duì)增多。11第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子（電子或空穴）的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，如下圖所示。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)與N區(qū)的Ef相同為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)在PN結(jié)上加正向電壓，產(chǎn)生于內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子的運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)相反，使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)，增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。電子和空穴的擴(kuò)散過(guò)程中，導(dǎo)帶電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光12第2章電光信息轉(zhuǎn)換內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)PN空穴電子擴(kuò)散漂移13第2章電光信息轉(zhuǎn)換§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

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PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出圖2.1.2-1雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖反型異質(zhì)結(jié)同型異質(zhì)結(jié)14第2章電光信息轉(zhuǎn)換二、基本結(jié)構(gòu)

1、面發(fā)光二極管

圖2.1.2-2面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)

有源區(qū)圓形金屬觸點(diǎn)SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)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(zhuǎn)換2、

邊發(fā)光二極管

圖2.1.2-3邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)示意圖§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)

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)16第2章電光信息轉(zhuǎn)換§2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)

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(qū)動(dòng)電路1、直流驅(qū)動(dòng)2、交流驅(qū)動(dòng)~+5VLEDReRb2Rb1Vin圖2.1.2-4LED驅(qū)動(dòng)電路3、發(fā)光二極管接入線性放大電路中通過(guò)調(diào)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(zhuǎn)換

§2.1.3LED的特性二、光譜特性描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是峰值波長(zhǎng)與半強(qiáng)度寬度。其峰值波長(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬，如圖2.1.3-1所示。1300波長(zhǎng)/nmΔλ=70nm相對(duì)光強(qiáng)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(zhuǎn)換§2.1.3LED的特性

四、

輸出光功率特性LED實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，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(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，P-I曲線的線性較好；電流過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)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(diǎn)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(zhuǎn)換

§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(guò)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(guò)紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)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(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。

4、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。20第2章電光信息轉(zhuǎn)換二、

應(yīng)用§2.1.4LED的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、

指示燈2、數(shù)字、文字及圖像顯示1)最簡(jiǎn)單的七段式數(shù)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(zhuǎn)換

§2.1.3LED的發(fā)展與應(yīng)用白光LED

一種方法是將不同顏色的LED混合在一起產(chǎn)生白光。就像電視用熾熱的紅、綠、藍(lán)色熒光粉來(lái)產(chǎn)生各種顏色，當(dāng)然也包括白色，恰當(dāng)?shù)腖ED組合也可以產(chǎn)生白光。標(biāo)準(zhǔn)組合是紅、綠、藍(lán)色二極管的組合，而最佳組合僅僅用藍(lán)色和桔色兩種LED即可。第二種方法是用LED去激勵(lì)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(lán)色光，在這種裝置的內(nèi)部涂上一層磷光劑，磷光劑在受到藍(lán)色光照射后會(huì)產(chǎn)生白光，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)白光發(fā)射器。藍(lán)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(xué)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(gè)LED組成，它們?cè)谕恍酒?，由鋁煙鎵磷(AllnGaP)半導(dǎo)體復(fù)合物制成的LED疊在發(fā)藍(lán)色光的氮化鎵LED之上。藍(lán)光撞擊AllnGaP層；一些藍(lán)色光子釋放能量并產(chǎn)生桔黃色的光子；其他的光子則通過(guò)AllnGaP合金層。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾秃穸染涂梢允雇ㄟ^(guò)的光子混合而產(chǎn)生白光。對(duì)于多芯片的設(shè)計(jì)，發(fā)光顏色可以通過(guò)對(duì)不同的二極管所加能量的不同任意進(jìn)行調(diào)諧。但是在“光子再循環(huán)”裝置中，顏色永遠(yuǎn)取決于所選的材料。22第2章電光信息轉(zhuǎn)換超高亮度LED熱點(diǎn)應(yīng)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(guó)市場(chǎng)超過(guò)20億元，幾乎全部采用中國(guó)國(guó)產(chǎn)顯示屏。汽車用燈汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈、頭燈等均在逐步采用LED顯示。據(jù)報(bào)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(guó)汽車工業(yè)正處于大發(fā)展時(shí)期，是推廣超高亮度LED的極好時(shí)機(jī)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(xiàn)階段手機(jī)背光源用量非常大，一年要用35億只LED。據(jù)報(bào)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(guó)手機(jī)生產(chǎn)量很大，而且大部分LED背光源還是進(jìn)口的，對(duì)於中國(guó)LED產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這也是個(gè)極好的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。交通信號(hào)燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED，因?yàn)椴捎肔ED信號(hào)燈既節(jié)能，可靠性又高，交通信號(hào)燈正在逐步更新?lián)Q代，而且推廣的速度很快，市場(chǎng)需求量很大，是個(gè)很好的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。景觀照明、裝飾燈及各種專用顯示器市場(chǎng)用量很大，估計(jì)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(jìn)。超高亮度及白光LED應(yīng)用北京2008年奧運(yùn)會(huì)相關(guān)照明顯示工程中LED的項(xiàng)目，這是個(gè)推動(dòng)LED照明業(yè)發(fā)展的極好機(jī)會(huì)。另外，只有