發(fā)光二極管和半導體激光器

發(fā)光二極管和半導體激光器主要內容概述半導體物理基礎發(fā)光二極管的結構、原理和特性參數(shù)半導體激光器的結構、原理和特性參數(shù)概述固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光。它是將電能直接轉換為光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件。

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發(fā)光二極管

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半導體激光器★

液晶顯示器★

陰極射線管★

等離子顯示發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，簡稱LED)和半導體激光器(laserDiode，簡稱LD)都屬于發(fā)光器件，都采用pn結或異質結的注入式場致發(fā)光的方法發(fā)光。它們之間的主要區(qū)別是：發(fā)光二極管靠注入的載流子自發(fā)復合的自發(fā)輻射，發(fā)射的是非相干光；而半導體激光器靠受激輻射，發(fā)射的是相干光，光的單色性、方向性和亮度等都比發(fā)光二極管的好得多。與其它發(fā)光器件相比，半導體發(fā)光器件具有體積小、工作電壓低、功耗低、機械性能好、調制方便等優(yōu)點。因而有著廣闊的應用前景，目前主要用在信息的傳遞、處理、存貯和顯示方面。LED多用于各種儀器儀表的指示器，數(shù)字、文字及其它符號的顯示，光通信、精密測距及其它物理檢測的光源。LD在通信、測距、光集成、信息的存貯和處理等方面具有重要的應用?？墒沁@兩類器件，目前還存在發(fā)光效率低、成本高、壽命還不夠長等缺點，尚待進一步研究解決。1半導體物理基礎pn結注入式場致發(fā)光原理電子在低能級與高能級之間可以有3種躍遷，分別為(1)受激吸收、(2)自發(fā)輻射、(3)受激輻射，下面以E1與E2能級為例進行介紹。在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。

（1）受激吸收E2E1hv在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。（2）自發(fā)輻射E2E1hv自發(fā)輻射：非相干光在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。（3）受激輻射E2E1hvhvhv受激輻射：相干光在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。在熱平衡狀態(tài)下，總是有。受激吸收速率大于受激輻射速率。當光通過這種物質時，光強按指數(shù)衰減，這種物質稱為吸收物質。如果，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當光通過這種物質時，就會產(chǎn)生放大作用，這種物質稱為增益介質（或激活介質）。

式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。

設在單位物質內，處于低能級E1和處于高能級E2的粒子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，粒子分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計分布N1：處于低能級的粒子數(shù)量(價帶電子數(shù)/導帶空穴數(shù))N2：處于高能級的粒子數(shù)量(導帶電子數(shù)/價帶空穴數(shù))(1)N1>N2，正常粒子數(shù)分布，光吸收大于光輻射。當光通過這種半導體時，光強按指數(shù)衰減。(2)N2>N1，粒子數(shù)反轉狀態(tài)，光輻射大于光吸收。當光通過這種半導體時，會產(chǎn)生放大作用。半導體內的粒子分布狀態(tài)：問題:如何得到粒子數(shù)反轉分布的狀態(tài)?

本征半導體的能帶結構在熱平衡狀態(tài)下，電子在能帶中的分布不再服從波爾茲曼分布，而是費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為:式中，，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，叫做費米能級。費米能級并非實在的可由電子占據(jù)的能級，而是半導體能帶的一個特征參量。它由半導體材料的摻雜濃度和溫度決定，反映電子在半導體內能帶上的分布情況。對于本征半導體，費米能級在禁帶的中間位置，價帶能級低于費米能級同時導帶能級高于費米能級雜質半導體的費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系半導體中產(chǎn)生光放大的的條件是：在半導體中存在雙簡并能帶且入射光的頻率滿足PN結在擴散運動和漂移運動達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級達到同一水平外加電壓產(chǎn)生的載流子注入使作用區(qū)的導帶電子和價帶空穴造成復合躍遷，輻射光子。這種過程產(chǎn)生的是非相干光，自發(fā)輻射的躍遷幾率與電子在作用區(qū)的平均壽命成反比。

當在PN結上加正向電壓V時，外電場部分抵消自建場的作用，使PN結的勢壘下降，N區(qū)的費米能級相對于P區(qū)升高eV。此時非平衡狀態(tài)下形成兩個準費米能級，形成雙簡并能帶結構產(chǎn)生受激輻射的條件是在結區(qū)的導帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉分布?？紤]激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導帶底電子的占據(jù)幾率可以用N區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂電子占據(jù)幾率則為

在結區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉的條件是

因此結區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉的條件是N區(qū)和P區(qū)的準費米能級之差大于禁帶的寬度。

基本原理：外加電場實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，大量電子-空穴對的自發(fā)復合導致發(fā)光。為什么要使用LED：1.驅動電路簡單2.不需要溫控電路3.成本低、產(chǎn)量高缺點：4.輸出功率不高：幾個毫瓦5.譜寬很寬：幾十個納米到上百納米應用場合：短距離傳輸2發(fā)光二極管的工作原理、結構及特性參數(shù)一、工作原理

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN結中電子與空穴的輻射復合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，發(fā)射的是非相干光。

PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出雙異質結半導體發(fā)光二極管的結構示意圖反型異質結同型異質結二、基本結構1、面發(fā)光二極管優(yōu)點：LED到光纖的耦合效率高載流子注入25mm5mm2、邊發(fā)光二極管優(yōu)點：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點：需要較大的驅動電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120o化合半導體材料->直接帶隙材料->用于做光源

-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb構成的化合物)LED光源的材料和工作波長：單質半導體材料->間接帶隙材料->不適合做光源LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)：800~850nm短波長光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)：1000~1700nm長波長光源x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長三

LED的特性特點：1.自發(fā)輻射光->LED譜線較寬

2.面發(fā)光二極管的譜線要比邊發(fā)光二極管的寬

3.長波長光源譜寬比短光源寬

-短波長GaAlAs/GaAs譜寬30~50nm-長波長InGaAsP/InP譜寬60~120nm光譜特性LED的內部量子效率和內部功率內量子效率hint那么LED的內部發(fā)光功率為：其中T(f)為菲涅爾透射系數(shù)。假定外界介質為空氣(n2=1)，外量子效率為：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，即光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性驅動電流較小->LEDP-I特性線性度好驅動電流較大->pn結發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象->曲線斜率減小通常，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾毫瓦四發(fā)光二極管的特點及應用

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。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藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現(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也可使用，再加上低電壓、低電流驅動的特點，作為電子儀器設備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。

4、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，是一個新的應用領域。四發(fā)光二極管的特點及應用應用指示