第2章 电光转换器件

1、第第2章电光转换器件章电光转换器件 1.1.发光二极管发光二极管 2.2.半导体激光器半导体激光器 3.3.液晶显示器液晶显示器 4.4.阴极射线管阴极射线管 5.5.等离子显示板。等离子显示板。 2.1 发光二极管（发光二极管（LED） 半导体光源的物理基础 LED的工作原理、结构及驱动 LED的特性 应用 原子中存在许多能级，最低能级原子中存在许多能级，最低能级E1称为称为基态基态，能量比，能量比 基态大的能级基态大的能级Ei(i=2,3,4) 称为称为激发态激发态。 电子电子3种跃迁种跃迁: （1）受激吸收）受激吸收E2 E1 hv E2 E1 hv E2 E1 hv hv hv （2）

2、自发辐射）自发辐射 （3）受激辐射）受激辐射 电子电子 扩散扩散 漂移漂移 空穴空穴 内建电场内建电场 空间电荷区空间电荷区 PN PN 结内建电场的形成及载流子的运动结内建电场的形成及载流子的运动 PN结加正向电压时导通：结加正向电压时导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。在扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带与空结处于导通状态。在扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带与空 穴复合，产生自发辐射光。穴复合，产生自发辐射光。 光的峰值波长光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度与发光区域

3、的半导体材料禁带宽度g有关，即有关，即 1240/Eg（mm） 半导体发光二极管的结构示意图半导体发光二极管的结构示意图 P-Alx Ga1-x As N-Aly Ga1-y As P- Ga As 光输出光输出 发光二极管发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正 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。 分为：分为：面发光型面发光型发光功率较大发光功率较大 边发光型易与光纤耦合边发光型易与光纤耦合 面发光型面发光型LEDLED的光输出的光输出 面发光型面发光型LEDLED用于光显示用于光显示 边发光型边发光型LEDLED用于短距离光纤通信用

4、于短距离光纤通信 二、基本结构二、基本结构 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 它的核心结构是有源层两边有导光层（限制层），构它的核心结构是有源层两边有导光层（限制层），构 成了以有源层为纤芯的光波导，有源层产生的光波从其端成了以有源层为纤芯的光波导，有源层产生的光波从其端 面射出，发散角小。有利于发光功率有效地耦合入光纤。面射出，发散角小。有利于发光功率有效地耦合入光纤。 边发光二极管结构示意图边发光二极管结构示意图 三、驱动电路三、驱动电路 输出光功率被电信号所调制输出光功率被电信号所调制数字、

5、模拟。数字、模拟。 LED驱动电路驱动电路 +5V LED Re Rb2 Rb1 Vin 四、符号及外形四、符号及外形 LED外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种 塑封塑封LED按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、 橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等 多种多种 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振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，如图所示。腔对波长的选择，谱线较宽，如图所示。 1300 波长波长/ /nm =70nm

6、相相 对对 光光 强强 LED光谱光谱 0 200 400 电流电流I / /mA 发发 射射 光光 功功 率率 P/mW 面发光面发光 边发光边发光 15 10 5 0 LED 的的P-I曲线曲线 。 ，通过选用不同的材料，可以实现各种，通过选用不同的材料，可以实现各种 发光颜色。如采用发光颜色。如采用GaP:ZnO或或GaAaP材料的红色材料的红色LED，GaAaP材材 料的橙色、黄色料的橙色、黄色LED，以及，以及GaN蓝色蓝色LED等。而且通过红、绿、等。而且通过红、绿、 蓝三原色的组合，可以实现全色化。蓝三原色的组合，可以实现全色化。 随着各种颜色随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即

7、使在日光辉度的迅速提高，即使在日光 下，由下，由LED发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信发出的光也能视认。正是基于这一优势，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。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。 。在其他显示器件不能使用。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器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩 大。大。 基本上不需要维修。可作为地板、马

8、基本上不需要维修。可作为地板、马 路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领 域。域。 二、二、 应用应用 利用利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。 点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示 字段型数字显示字段型数字显示 树脂树脂 反射框反射框 引线框架引线框架 LED芯片芯片 扩散片扩散片 LED用于平面显示，其优点是：用于平面显示，其优点是：LED为固体为固体 元件，可靠性高，可以制作对于元件，可靠性高，可以制作对于CRT及及LCD来说来说 不容易做出的不容易做出的大型显示器大型显示器。 LED除用做显

9、示器件外，还可用做各种装置、除用做显示器件外，还可用做各种装置、 系统的光源。比如照明光源、电视机遥控器的光系统的光源。比如照明光源、电视机遥控器的光 源。源。 直流电源、整流电源及交流电源指示电路直流电源、整流电源及交流电源指示电路 单单LED电平指示电路电平指示电路 单单LED可充作低压稳压管用可充作低压稳压管用 附：附：(1) LED应用举例应用举例 电平表电平表 (2)普通发光二极管的检测普通发光二极管的检测 利用具有利用具有10k挡的指针式万用表可以大致挡的指针式万用表可以大致 判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻 阻值为几十至阻值

10、为几十至200k，反向电阻的值为，反向电阻的值为。 (3)中国大陆中国大陆LED产业产业 估计到估计到2012年末，整个中国年末，整个中国LED产业产值将超过产业产值将超过 1500亿元。美国市场研究公司亿元。美国市场研究公司Communications Industry Researchers(CIR)预测，平均每年增长预测，平均每年增长 20%30%，随着，随着LED应用范围的增加，这一数据有应用范围的增加，这一数据有 不断增加的趋势。不断增加的趋势。 我国已成为我国已成为LED全彩显示屏、太阳能全彩显示屏、太阳能LED、景观照明、景观照明 等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照

11、明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明 产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中 户外照明发展最快，已有上百家户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几路灯企业并建设了几 十条示范道路。在中国十条示范道路。在中国LED显示屏幕已经大量应用；显示屏幕已经大量应用；LED 汽车灯被大量应用；应用于汽车灯被大量应用；应用于LCD的的LED背光背光 目前也已经目前也已经 达到实际应用阶段；达到实际应用阶段；LED路灯有可能大量投入到道路照明；路灯有可能大量投入到道路照明； LED普通照明概念将更清晰等等。普通照明概念将

12、更清晰等等。 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类对激光的诞生标志着人类对 光子的掌握和利用进入了一个崭新光子的掌握和利用进入了一个崭新 的阶段。的阶段。 激光器的基本结构激光器的基本结构 2.2 激光器 一、一、 激光的形成激光的形成 1. 粒子数反转粒子数反转 通过外加能量打破封闭系统的热平衡，实现粒子数反转。通过外加能量打破封闭系统的热平衡，实现粒子数反转。 通常，因为热力学的平衡态服从通常，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律，处于基态的原子，处于基态的原子 数远多于处于激发态的原子数，这种情况得不到激光。数远多于处于激发态的原子数，这种情况得不到激光。 221 1 ex

13、p NEE NkT 式中，式中，N1和和N2分别为能级分别为能级E1（基态）和（基态）和E2（激发态）的原子数。（激发态）的原子数。 在热平衡状态下，在热平衡状态下， 。受激吸收速率大于。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，这种物质称为数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。 21 NN 如果如果 （称为粒子数的反转，用一定的（称为粒子数的反转，用一定的 方法去激发原子群体实现），即受激辐射速率方法去激发原子群体实现），即受激辐射速率 大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就 会产

14、生放大作用，这种物质称为会产生放大作用，这种物质称为增益介质增益介质（或（或 激活介质激活介质）。）。 12 NN 25 2 提供光的反馈提供光的反馈 解理面（晶体中易于劈裂的平面）解理面（晶体中易于劈裂的平面） 其中最简单的是法布其中最简单的是法布 里里珀罗腔珀罗腔 图图2.2.1-1 激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔 注入电流注入电流 有源区有源区 解理面解理面 解理面解理面 L 增益介质增益介质 R1 R2 z = 0z = L 谐振频率 谐振条件 2 m nl nl mc 2 nl c 2 即：腔内允许间隔为即：腔内允许间隔为c/2nl的的m倍的不同频率的光场在其中振荡倍的不同频率

15、的光场在其中振荡 c/2nL (a) 纵模分布 增益曲线 损耗 I (b) 工作模式 据相干加强条件 相邻两纵模间隔 2.2.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约 0.1m）、）、P型和型和N型限制层构成。型限制层构成。 图图2.2.2-1 大面积半导体激光器大面积半导体激光器 电流电流 金属接触金属接触 P型型 N型型 有源层有源层 300m 200m 100m 解理面解理面 这样的激光器面积大，称为这样的激光器面积大，称为大面积激光大面积激光器。器。 为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器为解决侧向

16、辐射和光限制问题，实际的激光器 采用了采用了增益导引型增益导引型和和折射率导引型折射率导引型结构。结构。 2.2.3 半导体激光器特性半导体激光器特性 光谱特性光谱特性 图图2.2.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图双异质结激光器的光谱特性示意图 波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模纵模。 驱动电流增大驱动电流增大 832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称 为为静态单纵模激光器

17、静态单纵模激光器。 转换效率与输出光功率特性转换效率与输出光功率特性 表示，其定义为在阈值电流以上，表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子每对复合载流子产生的光子 数数: 由此得到由此得到 式中，式中，P和和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth 和和Ith分别为对应的阈值，分别为对应的阈值，hf与与e分别为光子能量与电子电荷。分别为光子能量与电子电荷。 激光器的电激光器的电光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率 d ()/ ()/ th d th PPhfP e IIeI hf thth () dhf PPII e 激光

18、器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示（如图）。曲线表示（如图）。 时，激光器发出的是自发辐射光，当时，激光器发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受时，发出的是受 激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 典型典型LD的光功率特性曲线图的光功率特性曲线图 th II th II 5 4 3 2 1 0 0 50 100 I / /mA 发射光功率发射光功率 P/mW 阈值电流阈值电流I Ith th 注入电流注入电流I II Ith th , , 才能形成激光。才能形成激光。 器件结构要着力器件结构要着力 于降低于降低I Ith th

19、 。 。 温度特性温度特性 温度变化会改变激光器的输出光功率。原因：一温度变化会改变激光器的输出光功率。原因：一 是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分 量子效率随温度升高而减小（如图）。量子效率随温度升高而减小（如图）。 LD的的P-I曲线随温度的变化图曲线随温度的变化图 发射光功率发射光功率P/mW 5 4 3 2 1 0 0 50 100 I / /mA 22 50 70 一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源 二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、其他应用三、其他应用 目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有目

20、前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有 370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、 650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、 1310nm、1550nm等，其中等，其中1310nm、1550nm主要用于光主要用于光 纤通讯领域。纤通讯领域。405nm - 670nm为可见光波段，为可见光波段，780nm - 1550nm为红外光波段，为红外光波段，390nm - 370nm为紫外光波段。为紫外光波段。 半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、 功耗低、驱动电源简单、能直

21、接调制、结构简单、价格低廉、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、 使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激 光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、 激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平 及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、 激光水平尺及各种标线定位等。激光水平尺及各种标线定位等。 半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的半导体激光器