光电检测技术-第四章

第四章 发光、耦合和成像器件,第四章 发光、耦合和成像器件,发光二极管 半导体激光器 光电耦合器件 CCD,发光：通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件、光电耦合器件及成像器件。,LED( light emitting diode) ：材料为半导体，结构为PN结组成的，能发光的二极管。LED利用正向偏置PN结中电子与空穴的复合辐射发光的，是自发辐射发光。,特点：发射波长覆盖可见光红外远红外，结构比较简单。是至今世界上应用最多，产量最多的光电产品。产量巨大，价格便宜，工作稳定，使用简单。,4-1 发光二极管,1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点,得到迅猛发展。,5,发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。,1. PN结注入发光,PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。,一、发光二极管的发光机理,发光二极管,6,2. 异质结注入发光,为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图（a）表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时n区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。,对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区(图(b)。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，p-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。,由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。,发光二极管,7,二、基本结构,1. 面发光二极管,右图所示为波长0.80.9m的双异质结GaAsAlGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50m，厚度小于2.5m。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，周围用粘合材料加固，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120。,发光二极管,8,2. 边发光二极管,右图所示为波长1.3m的双异质结InGaAsPInP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N型AlGaAs有源层，,及其两边的P型AlGaAs和N型AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。,为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为5070m，长度为100150m。边发光LED的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为2535，垂直方向为120。,9,三、LED的特性参数,1)、发光光谱和发光效率,LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。,描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。对于辐射跃迁所发射的光子，峰值波长由材料的禁带宽度决定。峰值波长还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm/的比例向长波方向移动。,发光二极管,10,发光效率:发光二极管发射的光通量与输入电能之比，单位lm/W；或光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎/安）。GaAs红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示。,2)、 时间响应特性与温度特性,响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极管熄灭的时间。发光二极管的时间响应快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。,发光二极管,11,通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光亮度Le,r与温度t的关系曲线。,发光二极管,12,3)、发光亮度与注入电流的关系,发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为,是载流子辐射复合寿命R和非辐射复合寿命nr的函数,发光二极管,13,4)、 最大工作电流,工作电流 : 几mA 几十 mA，若工作电流较小，LED发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。随着电流密度的增加，PN结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。,发光二极管,14,5)、伏安特性,正向电流与电压的关系为,m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i E1)的原子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,半导体激光器,29,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。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N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。,产生激光的必要条件二：粒子数反转分布,问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?,半导体激光器,30,产生粒子数反转的方法,注入载流子半导体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器气体电离气体激光器,半导体激光器,31,3、谐振腔,光学谐振腔的结构:在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r2V,5V,CCD,75,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,CCD的结构与工作原理小结,CCD,76,为什么称为电荷耦合器件？,电荷器件中的信息是以电荷形式出现的，不同于其他探测器的“电流”或“电压”,耦合器件内部信息的传递是通过势阱的耦合完成的，完全不同于电子枪的“扫描输出”形式,CCD,77,体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有15-20的残象)集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,二. CCD的特点,CCD,78,像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）信噪比：典型值为46分贝感光范围 可见光、红外,四. CCD的特性参数,CCD,79,CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型:(1) 电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。(2) 电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。,五. CCD的类型,CCD,80,线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的象元数