第6章发光器件与光电耦合器件上.ppt

2020/5/16,1,第6章发光器件与光电耦合器件,主讲：扬州职业大学电子工程系贾湛,2012.1贾湛制作,2020/5/16,2,光源,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。,2020/5/16,3,由某原因激励到高能级的粒子，没有外刺激的情况下，自己跃迁到低能级，发出光的现象,自发辐射,E1,E2,h=E2-E1,特征,频率(波长),相位,偏振,传播方向是随机的,t,激励作用,原子模型,2020/5/16,4,光源,热辐射光源,气体放电光源,固体发光光源,激光器,太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器,汞灯、荧光灯、钠灯氙灯、金属卤化物灯氘灯、空心阴极灯,场致发光灯发光二极管,气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器,由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。,由于物体在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷光源。,冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。,2020/5/16,5,太阳是一个理想的黑体,热辐射源,角度特性和光谱特性与理想黑体特性相似的辐射源，称为黑体模拟器。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K,2020/5/16,6,白炽灯利用热辐射发出可见光的电光源。,真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K，光效为10lm/W。充气钨丝白炽灯由于在灯泡中充入惰性气体，使灯丝蒸发出来的钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分返回灯丝。有效地抑制钨蒸发，使工作温度提高到27003000K，相应的光效提高到17lm/W。,白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等，光辐射由钨丝通电加热发出的。常用钨制成单螺旋丝或双螺旋丝。为加强某一方向的发光强度，有的白炽灯在玻壳上蒸涂铝反射层。一些特殊用途的灯泡采用彩色玻璃。,在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），可以形成卤钨循环，就构成了卤钨灯。卤钨灯的工作温度为3200K，光效为30lm/W。,卤钨灯,白炽灯,2020/5/16,7,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。,制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内层电子跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。气体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电灯等高压汞灯的发光效率达64lm/W。氙灯色温有6000K左右，显色指数90以上，有“小太阳”之称，长弧氙灯发光效率为2530lm/W。三基色荧光灯发光效率可超过901m/W，金属卤化物灯光效达(60100流明/瓦)。,气体放电光源,2020/5/16,8,2020/5/16,9,1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入式电致发光60年代末，LED得到迅速发展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材料隙得到橙、黄、绿的LED70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。80年代，蓝光的LED研制出来，用宽带隙n型或半绝缘的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基势垒形成,6.1发光二极管的基本工作原理与特性,发光二极管（LED-LightEmittingDiode）是一种固态发光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的注入式电致发光。,发展史,2020/5/16,10,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。,6.1.1发光二极管的发光机理,2020/5/16,11,制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能自然复合。当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散，于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p区。这属于自发辐射，是非相干光。光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强弱与电流有关,1.PN结注入发光,2020/5/16,12,为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时两个势垒均减小，但P区的势垒减小多，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。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。,2.异质结注入发光,透射窗,2020/5/16,13,为了进一步提高载流子注入效率，常常采用双异质结(DH)注入。,双异质结注入发光,2020/5/16,14,6.1.2基本结构,图所示为波长0.80.9m的双异质结GaAsAIGaAs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。,按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型,1.面发光二极管(SLED-SurfaceEmittingLEDs),2020/5/16,15,图6-4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AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs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。,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。,2.边发光二极管ELED-EdgeEmittingLEDs,2020/5/16,16,6.1.3LED的特性参数,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。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。,描述光谱分布的两个主要参量：峰值波长和发光强度的半宽度。峰值波长:由材料的禁带宽度决定。m1.24meV/Eg峰值光子的能量还与温度有关,随温度的增加而减少。,1.发光光谱和发光效率,2020/5/16,17,2020/5/16,18,2020/5/16,19,发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位lm/W；也有把光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎/安）。,发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。,内部量子效率:,式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器件的电子数,r是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才能获得有效的光子发射。,发光效率,2020/5/16,20,光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。,提高外部量子效率的措施：用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。,外部量子效率定义,单位时间发射到外部的光子数,单位时间内注入到器件的电子-空穴对数,2020/5/16,21,辐射复合辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的中间能级来产生；这些缺陷或杂质就叫做发光中心。主要有六种复合形式：带间辐射复合、浅能级和主带之间的复合、施主-受主对（D-A对）复合、深能级间的复合、激子复合及等电子陷阱复合。带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合，产生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度。非辐射复合非辐射复合的本质就是将电子和空穴复合释放的能量转变为热能，一般有：俄歇复合、无辐射复合中心复合、多声子复合等。俄歇复合指电子与空穴复合时，另一个电子(或空穴)获得能量跃迁到更高的能量状态的过程。获得更高能态的载流子与晶格反复碰撞后失去能量。,2020/5/16,22,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。,发光二极管的时间短于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。如图，通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。,2.时间响应特性与温度特性,2020/5/16,23,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,式中，是载流子辐射复合寿命r和非辐射复合寿命nr的函数,LED的亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和。,3.发光亮度与电流的关系,2020/5/16,24,在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。因此，最大工作电流密度应低于最大发射效率的电流密度值。若发光二极管的最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流为,4.最大工作电流,最大发射效率与温度关系,最大发射效率与电流密度关系,2020/5/16,25,发光二极管与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时正向电流与电压的关系为,iioexp(eV/mkT),式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。,5.伏安特性,2020/5/16,26,发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。电流密度大，老化快。,7.响应时间,响应时间指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。,6.寿命,2020/5/16,27,8.光强分布,不同型号LED有不同的光强分布，这是材料和结构不同。由于-族材料的折射率大（n34），即使垂直入射到空气界面的光也有50的发射，与界面的法线大于16度（全反射临界角）的光完全发射回器件内部。用球面发射表面结构减小了界面发射，但使材料内部光程增大，在增加了吸收,2020/5/16,28,6.1.4驱动电路,发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,2020/5/16,29,2020/5/16,30,1、LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。2、LED的发光颜色丰富，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。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。4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。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。,LED特点,2020/5/16,31,6.2发光二极管的应用,1、指示灯LED指示灯不断更新换代，其寿命在数十万小时以上，而且功耗小，发光响应速度快，亮度高，小型耐振动等特点，在各种应用中占有明显的优势。常见的应用：电话、音响制品、家电制品、各种计测仪表以及集中控制盘等指示灯,2020/5/16,32,1998年发白光的LED开发成功。高效节能超长寿命：以相同亮度比较，3W的LED节能灯333小时耗1度电，而普通60W白炽灯17小时耗1度电，普通5W节能灯200小时耗1度电。CREE公司实验室最高光效已达260lm/W，而市面上的单颗大功率LED也已经突破100lm/W。绿色环保：不含汞和氙等有害元素。,2.照明,2020/5/16,33,2020/5/16,34,2020/5/16,35,2020/5/16,36,七段式数码管,文字显示器的内部接线,14划字码管,3、数字、文字以及图像显示,2020/5/16,37,4、显示器,通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。,2020/5/16,38,LCD,LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。,2020/5/16,39,LED与LCD比较,LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160的视角。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。,2020/5/16,40,等离子显示器（PDP）,等离子屏：英文为PlasmaDisplayPanel,其是在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像。,等离子彩电又称“壁挂式电视”，不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、节省空间等优点。耗电量大，一台42寸的耗电量为380W,等离子屏工作机理类似普通日光灯，有三层结构。,2020/5/16,41,在第一层的里面涂有导电材料的垂直，中间层是灯泡阵列，第三层表面涂有导电材料的水平条。要点亮某个地址的灯泡，开始要在相应行上加较