光電技術(shù) 第5版 課件 第6章6.1節(jié) LED的基本工作原理與特性

第6章發(fā)光器件與光電耦合器件6.1LED的基本工作原理本章將著重介紹目前占據(jù)光源市場(chǎng)分量最大的LED發(fā)光二極管及其光電耦合器。1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置情況下會(huì)發(fā)光。70年代末，開(kāi)始用LED作為數(shù)碼顯示器和簡(jiǎn)單圖像的顯示器。近20年來(lái)，由于LED的發(fā)光效率、發(fā)光光譜與半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，尤其是發(fā)藍(lán)光的LED與銀光材料研制成功，使LED制造成本急劇下降，應(yīng)用市場(chǎng)急劇升溫，成為21世紀(jì)科技發(fā)展的亮點(diǎn)。LED的突出優(yōu)點(diǎn)為：6.1.1LED的發(fā)光機(jī)理（1）電光轉(zhuǎn)換效率高（高于90%）、響應(yīng)速度快；（2）體積小，重量輕，便于集成；（3）工作電壓低，耗電少，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便，容易用硬件電路與計(jì)算機(jī)控制；（4）既能制成單色性好的各種單色LED管，又能制成發(fā)白光的LED管；（5）發(fā)光亮度高，亮度易于控制與調(diào)節(jié)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字儀表的顯示器、大屏幕圖像顯示器和在光電檢測(cè)領(lǐng)域的特種光源使用。1.發(fā)光機(jī)理LED是一種注入型電致發(fā)光器件，它由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。（1）PN結(jié)注入發(fā)光如圖6-1所示，正偏壓使PN結(jié)區(qū)中的大量非平衡載流子不斷地進(jìn)行相對(duì)擴(kuò)散，因電子遷移率μn比空穴遷移率μp高20多倍，電子很快遷移到P區(qū)與空穴復(fù)合而發(fā)光。（2）異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光圖6-2（a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖，（b）為發(fā)光機(jī)理。2.基本結(jié)構(gòu)圖6-3所示為0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)GaAs／AIGaAs面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。它有圓形發(fā)光平面，直徑約50μm，厚度小于2.5μm。光纖穿過(guò)襯底小圓孔與發(fā)光區(qū)平面垂直接入，用粘合材料加固，光從尾纖輸出。發(fā)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120°。（1）面發(fā)光LED（2）邊發(fā)光LED圖6-4所示為波長(zhǎng)1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP／InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。核心部分是N型AIGaAs有源層，及兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，比周?chē)牧系恼凵渎矢摺楹屠w芯尺寸相配合，光的端面寬度通常為50～70μm，長(zhǎng)度為100～150μm。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向?yàn)?5°～35°，垂直方向?yàn)?20°。

6.1.2LED的特性參數(shù)LED發(fā)出光的相對(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(zhǎng)(或頻率)變化的分布曲線(xiàn)稱(chēng)為其發(fā)光光譜。它由材料的種類(lèi)、性質(zhì)以及發(fā)光中心結(jié)構(gòu)決定，與器件的幾何形狀、外部結(jié)構(gòu)和封裝方式無(wú)關(guān)。（1）

發(fā)光光譜和發(fā)光效率描述光譜分布的主要參量是峰值波長(zhǎng)和發(fā)光光譜的半寬度。圖6-5為GaAs0.6Po.4

和GaP的發(fā)射光譜。峰值波長(zhǎng)在620～680nm之間，半寬度為20～30nm。GaP峰值波長(zhǎng)為700nm，半寬度為100nm。發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率在平衡時(shí)，電子-空穴對(duì)的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率，復(fù)合率又分別取決于載流子壽命τr和τrn，1/τr為輻射復(fù)合率，1/τrn為無(wú)輻射復(fù)合率，內(nèi)部量子效率為輻射復(fù)合發(fā)出的光子并不能全部離開(kāi)晶體向外發(fā)射，要考慮半導(dǎo)體的吸收，界面全反射，只有一部分能發(fā)射出去。發(fā)射到外部的光子數(shù)nex與單位時(shí)間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對(duì)數(shù)nin之比定義為外部量子效率ηex，即只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射。表6-1為典型LED發(fā)光效率與發(fā)出可見(jiàn)光發(fā)光譜的波長(zhǎng)。名稱(chēng)發(fā)光波長(zhǎng)(μm）外部量子效率%可見(jiàn)光發(fā)光效率(lm/W)禁帶寬度Eg(eV)數(shù)變值平均值GaAs0.6P0.4

紅光Ga0.65Al0.35As

紅光GaP:EnO

紅光GaP:N

綠光GaP:NN

黃光GaP純綠光GaAs0.35P0.65:N紅光GaAs0.15P0.85:N黃光GaAs紅外In0.32Ga0.68P[Te,Zn]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.9

0.50.5120.70.10.660.50.2

0.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.05

0.10.380.272.44.20.450.40.950.90

1.91.91.772.192.12.051.962.11.35

表6-1幾種典型LED發(fā)光效率與發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)GaAs這類(lèi)直接帶隙半導(dǎo)體，ηin可接近100％。ηex很小，如CaP[Zn-O]紅光發(fā)射效率ηev很小，最高為15％；發(fā)綠光的GaP[N]的ηev約為0.7％；對(duì)發(fā)紅光的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％。提高外部量子效率的措施有三條：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹(shù)脂（n2=1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對(duì)光吸收。LED外部發(fā)光效率均與溫度有關(guān)。圖6-6為GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種LED相對(duì)光亮度Le,λ,r與溫度t的關(guān)系曲線(xiàn)。（2）時(shí)間響應(yīng)特性與溫度特性L(fǎng)ED時(shí)間響應(yīng)快，短于1μs，比人眼要快得多，但用作光信號(hào)傳遞時(shí)，響應(yīng)時(shí)間又顯得太長(zhǎng)。LED響應(yīng)時(shí)間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級(jí)上躍遷的幾率。（3）發(fā)光亮度與電流的關(guān)系LED發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴(kuò)散電流idn之間有如下關(guān)系：式中，τ是載流子輻射復(fù)合壽命τR和非輻射復(fù)合壽命τNR的函數(shù)。如圖6-7所示為GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaPLED發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線(xiàn)。在很大范圍內(nèi)不易飽和，使得LED可作為亮度可調(diào)的光源，在亮度調(diào)整過(guò)程中發(fā)光光譜保持不變。它更適合脈沖電流驅(qū)動(dòng)，脈沖狀態(tài)它的工作時(shí)間短，發(fā)熱低，可獲得更高的亮度。（4）最大工作電流較小電流下，LED發(fā)光效率隨電流的增加增加，電流增加到一定值，發(fā)光效率不再增加；發(fā)光效率還會(huì)隨電流增大反而降低。圖6-8為發(fā)紅光GaP的內(nèi)量子效率ηin相對(duì)值與電流密度J及溫度T的關(guān)系。隨著LED電流密度增加，pn結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)光效率降低。若LED的最大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為式中，rd為L(zhǎng)ED動(dòng)態(tài)內(nèi)阻；If、Uf為較小電流時(shí)的電流和壓降。LED伏安特性如圖6-9所示。LED正向電壓小于開(kāi)啟點(diǎn)的電壓值時(shí)基本沒(méi)有正向電流流過(guò)，電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓，LED就會(huì)發(fā)光，電流將隨電壓的增大而增長(zhǎng)。（5）伏安特性（6）壽命LED壽命定義為亮度降低到原亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。LED的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于lA/cm2時(shí)，一般可達(dá)106h，最長(zhǎng)可大于等于109h。隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度加大，老化變快，壽命變短。（7）響應(yīng)時(shí)間器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)間，指器件啟亮與熄滅時(shí)間的延遲。實(shí)驗(yàn)證明，LED上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。如GaAs1-xPx僅為幾個(gè)ns，GaP約為100ns。脈沖電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時(shí)間所允許的范圍內(nèi)。（8）光強(qiáng)分布不同型號(hào)LED發(fā)光的空間分布規(guī)律不同。圖6-10所示的光強(qiáng)分布曲線(xiàn)形式說(shuō)明LED普遍光強(qiáng)分布規(guī)律。圖6-10（a）為L(zhǎng)ED外形圖，在xyz直角坐標(biāo)系中，z為L(zhǎng)ED機(jī)械軸的方向。發(fā)光主光線(xiàn)與器件機(jī)械軸之間存在著夾角θ。θ定義為L(zhǎng)ED的“機(jī)械角”。它是個(gè)空間角。LED發(fā)光強(qiáng)度Iv是θ的函數(shù)。Iv=f（θ）由于LED封裝工藝帶來(lái)的機(jī)械角θ，使LED發(fā)出光強(qiáng)度最強(qiáng)的方向（稱(chēng)為主光線(xiàn)）與機(jī)械軸線(xiàn)不重合，有時(shí)也稱(chēng)其為偏差角，并在如圖6-10（b）中標(biāo)注為偏差角△θ，稱(chēng)其為偏差角或偏向角。描述LED發(fā)光空間特性的另一個(gè)主要參數(shù)是半發(fā)光強(qiáng)度角，常用θ1/2表示，它以主光線(xiàn)為中心是LED發(fā)光空間范圍的描述（如圖中標(biāo)注）。為獲得更寬更均勻的面光源，總是希望LED的θ1/2更大；而要使LED能夠在更遠(yuǎn)的地方獲得更強(qiáng)的照度，則希望θ1/2盡量小些，使光的能量在傳播過(guò)程中損耗更小。手冊(cè)中也常將半發(fā)光強(qiáng)度角稱(chēng)為視角。6.1.3驅(qū)動(dòng)電路LED工作需要在正向偏置電流的作用下才能發(fā)光，提供給LED正向電流的電路稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路有多種，根據(jù)具體的應(yīng)用，LED驅(qū)動(dòng)電路可以分為直流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)與交流驅(qū)動(dòng)三種方式。（1）直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)電路如圖6-11所示，由限流電阻與電源構(gòu)成，調(diào)整限流電阻的阻值既可以調(diào)整流過(guò)LED電流，調(diào)整發(fā)光亮度。式中Ubb為電源電壓，UD為正向電壓，它與LED性質(zhì)有關(guān)，藍(lán)光LED接近3.7V，紅光LED在0.9V左右。（2）交流驅(qū)動(dòng)如圖6-12所示為三極管構(gòu)成的交流驅(qū)動(dòng)電路，LED串接入集電極，通過(guò)調(diào)節(jié)基極偏置電壓，可調(diào)整輻射光功率。在光通信中常用LED為信息光源，通過(guò)光纖傳輸音、視頻信號(hào)。圖6-12LED三極管驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整Rb2使三極管處于適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，確保輸入的音、視頻信號(hào)不失真地通過(guò)光纖傳輸。（3）集成驅(qū)動(dòng)電路圖6-13為一款單節(jié)電池供電的低壓集成LED驅(qū)動(dòng)電路IV0104的外形圖。圖6-14為其原理圖，輸入電壓Vin直接接到Vbat端，通過(guò)8.2μH電感L接到LX端進(jìn)行濾波，邏輯地PGND與電源地Vss共同接地形成輸入電路。輸出經(jīng)電容C濾波后再經(jīng)過(guò)電阻R1與R2分壓，將所得部分電壓作為基準(zhǔn)電壓，以輸出穩(wěn)定的電流。輸出電壓Vout由下式?jīng)Q定當(dāng)反饋參考電壓VFB的值為0.8V時(shí)，若希望輸出5V電壓，選用R2=10kΩ，則可以計(jì)算出R1=52kΩ。表6-2所示為IV0104的輸出電流與輸出電容C、電感L的關(guān)系，輸出電流越大需要選配的電容量也越大。輸入電壓（V）輸入電流（mA）輸出電壓（V）輸出電流（mA）輸入電感（μH）輸出電容（μF）1.25753.210120.0221.25160.713.22056.0471.25230.773.23039.0471.25272.733.24033.01001.25409.093.26022.01001.255003.27018.02201.256003.