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上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换1第2章电光信息转换第2章电光信息转换将电信号转换为光信号的器件称为半导体电光转换器件。本章主要介绍发光二极管、半导体激光器。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换2第2章电光信息转换第2章电光信息转换★2.1发光二极管★2.2半导体激光器上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换3§2.1发光二极管§2.1发光二极管§2.1.1半导体光源的物理基础§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动§2.1.3LED的特性§2.1.4LED的特点及应用上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换4§2.1发光二极管§2.1发光二极管§2.1.1半导体光源的物理基础在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为基态,能量比基态大的能级Ei(I=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁,下面以E1与E2能级为例进行介绍。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换5(1)受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv(2)自发辐射(3)受激辐射上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换6§2.1发光二极管设在单位物质内,处于低能级E1和处于高能级E2的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时,原子分布遵循玻耳兹曼统计分布2.1.1-1kTEEENN1212expKJ/10381.123k式中,,为玻耳兹曼常数,T为热力学温度。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换7§2.1发光二极管在热平衡状态下,总是有。受激吸收速率大于受激辐射速率。当光通过这种物质时,光强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。如果,即受激辐射速率大于受激吸收速率,当光通过这种物质时,就会产生放大作用,这种物质称为增益介质(或激活介质)。21NN12NN上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换8§2.1发光二极管半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体。导带价带EcEvEfEgEg/2Eg/2能量导带带价EcEvEfEg导带价带EcEvEfEg(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体图2.1.1-2半导体的能带和电子分布上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换9§2.1发光二极管根据量子统计理论,在热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的概率为费米-狄拉克分布2.1.1-2kTEEEPfexp11)(fE称为费米能级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换10§2.1发光二极管在本征半导体中掺入施主杂质,称为N型半导体。在本征半导体中掺入受主杂质,称为P型半导体。在P型和N型半导体组成的PN结界面上,由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度,因而产生扩散运动,形成内部电场,如图2.1.1-3所示。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换11§2.1发光二极管图2.1.1-3PN结内建电场的形成及载流子的运动内建电场空间电荷区PN空穴电子扩散漂移上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换12§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动一、工作原理发光二极管(lightemittingdiode,LED),是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的,是自发辐射发光,不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布,也不需要光学谐振腔,发射的是非相干光。图2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换13二、基本结构1、面发光二极管图2.1.2-2面发光二极管的结构示意图§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动有源区圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换142、边发光二极管图2.1.2-3边发光型LED的结构示意图§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动金属化层(用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层(用于电接触)条形接触(确定有源区)有源区上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换15三、驱动电路图2.1.2-4LED驱动电路§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动+5VLEDReRb2Rb1Vin上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换16§2.1.3LED的特性§2.1.3LED的特性一、光谱特性发光二极管发射的是自发辐射光,没有谐振腔对波长的选择,谱线较宽,如图2.1.3-1所示。图2.1.3-1LED光谱图2.1.3-2LED的P-I曲线1300波长/nmΔλ=70nm相对光强0200400电流I/mA发射光功率P/mW面发光边发光151050上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换17二、光束的空间分布在垂直于发光平面上,面发光LED辐射图呈朗伯分布,即,半功率点辐射角。边发光型LED,,。cos)(0PP120120//35~25§2.1.3LED的特性三、输出光功率特性LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的光子数,一般外微分量子效率小于10%。发光二极管的输出光功率特性如图2.1.3-2所示。驱动电流较小时,P-I曲线的线性较好;电流过大时,由于PN结发热产生饱和现象,使P-I曲线的斜率减小。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换18§2.1.4LED的特点及应用§2.1.4LED的特点及应用一、特点1、LED辐射光为非相干光,光谱较宽,发散角大。2、LED的发光颜色非常丰富,通过选用不同的材料,可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED,GaAaP材料的橙色、黄色LED,以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合,可以实现全色化。3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高,即使在日光下,由LED发出的光也能视认。正是基于上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换19§2.1.4LED的特点及应用这一优势,在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用,再加上低电压、低电流驱动的特点,作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。5、寿命长,基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源,是一个新的应用领域。上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换20二、应用1、指示灯2、数字显示用显示器利用LED进行数字显示,有点矩阵型和字段型两种方式。图2.1.4-1点矩阵型数字显示图2.1.4-2字段型数字显示§2.1.4LED的特点及应用树脂反射框引线框架LED芯片上一张章首下一张结束节首目录第2章电光信息转换213、平面显示器LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。4、光源LED除用做显示器件外,还可用做各种装置、系统的光源。§2.1.4LED的特点及应用
本文标题:发光二级管
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