第2章 发光二极管和发光二极管组件

1、光通信器件与技术光通信器件与技术 授课教师：王天枢授课教师：王天枢 电话电话:Email: 2 http:/ 第第2章章 发光二极管和发光二极管组件发光二极管和发光二极管组件 3 http:/ Contents 超辐射发光二极管超辐射发光二极管 高速发光二极管高速发光二极管 发光二极管的特性与测试发光二极管的特性与测试 发光二极管基本工作原理发光二极管基本工作原理 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 LED组件组件 4 http:/ 光纤通信对光源的要求光纤通信对光源的要求 n峰值波长：峰值波长：低损耗窗口低损耗窗口 n光功率：光功率：高、稳定，满足中继段要求，（大

2、于高、稳定，满足中继段要求，（大于1mW） n电电/光转换效率高、寿命长、可靠性高：光转换效率高、寿命长、可靠性高：100万小时万小时 n单色性、方向性好单色性、方向性好 n易于调制、响应速度快易于调制、响应速度快 n强度噪声小强度噪声小 nP-I特性曲线好：特性曲线好：线性度好线性度好 5 http:/ 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 半导体特点半导体特点: 导电能力可控（受控于光、热、杂质等）导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料典型半导体材料: 硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等等 半导体又可以分为本征半导体（半导体又可以分为本征半导体（Intrins

3、ic）和非本征半导体）和非本征半导体 （Extrinsic）。）。 本征半导体：不含有杂质的半导体。在本征半本征半导体：不含有杂质的半导体。在本征半 导体中，电子和空穴的载流子密度是相等的。导体中，电子和空穴的载流子密度是相等的。 6 http:/ PN结结 (1(1）PNPN结的形成：结的形成： 动态平衡时动态平衡时 形成形成PN结结 两种运动：两种运动： 扩散（浓度差）扩散（浓度差） 漂移（电场力）漂移（电场力） 7 http:/ 漂移和扩散漂移和扩散 1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移如图（、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移如图（A）所示。）所示。 2、载流子由浓度高流

4、向浓度低的的运动为扩散。图（、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示）所示 。 电流电流I 。 . . 空穴空穴 。 电子电子 （A）电场作用下的漂移运动）电场作用下的漂移运动 （B）空穴扩散示意）空穴扩散示意 8 http:/ 当当P型半导体和型半导体和N型半导体接触时，型半导体接触时， 就产生了就产生了P-N结结。在交界处，。在交界处，N区附区附 近电子向近电子向P区扩散，并与区扩散，并与P区空穴结区空穴结 合，同时，合，同时，P区空穴向区空穴向N区扩散，并区扩散，并 与与N区电子结合，这样就形成了耗尽区电子结合，这样就形成了耗尽 区，耗尽区没有可以移动的载流子，区，耗尽区没

5、有可以移动的载流子， 只剩下只剩下N区正离子和区正离子和P区负离子，形区负离子，形 成内部电场，我们称之为接触电位，成内部电场，我们称之为接触电位， 用耗尽电压用耗尽电压VD来描述这个场来描述这个场 9 http:/ P N +- - - - - - - - + + + + + + + 内电场 - + 由于接触面载由于接触面载 流子运动形成流子运动形成 PN结结示意图示意图 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 PN结结变窄变窄 P N + - R 外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电） PN结结变宽变宽 P N - + R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止） 正向电流If

6、 反向电流Is PN结加正向电压时结加正向电压时电阻很小，电流大电阻很小，电流大。加反向电压时。加反向电压时电阻很大，电流小。电阻很大，电流小。 10 http:/ 根据量子理论，围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连根据量子理论，围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连 续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意 的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过 程称为跃迁。程称为跃迁。 由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有

7、确定的由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有确定的 能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离 核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的 一个能级。通常用若干水平线来表示电子所处的状态，即能级图。一个能级。通常用若干水平线来表示电子所处的状态，即能级图。 能级能级 11 http:/ 12 http:/ 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能

8、级E1称为基态，能量称为基态，能量 比基态大的能级比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。称为激发态。 电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种的激发态之间的跃迁有三种 基本方式：基本方式： 激光全称为激光全称为“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 13 http:/ hf12 E2 E1 E2 E1 受激吸收受激吸收 (1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电在正常状态下，电 子处于低能级子处于低能级E1，在入，在

9、入 射光作用下，它会吸收射光作用下，它会吸收 光子的能量跃迁到高能光子的能量跃迁到高能 级级E2上，这种跃迁称为上，这种跃迁称为 受激吸收受激吸收。电子跃迁后，电子跃迁后， 在低能级留下相同数量在低能级留下相同数量 的空穴。的空穴。 14 http:/ 自发辐射自发辐射 hf12 E2 E1 E2 E1 (2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级E2的电子的电子 是不稳定的，即使没有是不稳定的，即使没有 外界的作用，也会自动外界的作用，也会自动 地跃迁到低能级地跃迁到低能级E1上与上与 空穴复合，释放的能量空穴复合，释放的能量 转换为光子辐射出去，转换为光子辐射出去， 这种跃迁称为这种跃迁称为自

10、发辐射自发辐射。 15 http:/ hf12 E2 E1 E2 E1 受激辐射受激辐射 (3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E2的电的电 子，受到入射光的作子，受到入射光的作 用，被迫跃迁到低能用，被迫跃迁到低能 级级E1上与空穴复合，上与空穴复合， 释放的能量产生光辐释放的能量产生光辐 射，这种跃迁称为射，这种跃迁称为受受 激辐射激辐射。 16 http:/ 受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的逆过程。电子在的逆过程。电子在E1和和E2两个能级之间跃迁，吸收两个能级之间跃迁，吸收 的光子能量或辐射的光子能量都要满足的光子能

11、量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件，即，即 E2-E1=hf12 式中，式中，h=6.62810-34Js，为，为普朗克常数普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。为吸收或辐射的光子频率。 受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。产生的光的特点很不相同。 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称 为为相干光相干光。 自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向 分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这

12、种光称为分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。 17 http:/ 产生产生受激辐射受激辐射和产生和产生受激吸收受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处的物质是不同的。设在单位物质中，处 于低能级于低能级E1和处于高能级和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。 当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布时，存在下面的分布 )exp( 12 1 2 kT EE N N 式中，式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学温度（绝对温度）。为热力学温度（绝对温度）。 由于由于(E2-E

13、1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是这是因为电子总是 首先占据低能量的轨道。首先占据低能量的轨道。 18 http:/ 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和和N2，且比例系数，且比例系数(吸收和吸收和 辐射的概率辐射的概率)相等。相等。 如果如果N1N2，即，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光。当光通过这种物质时，光 强按指数衰减，强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。 如果如果N2N1，即，即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收，当光通过这种物质时

14、，会产，当光通过这种物质时，会产 生放大作用，这种物质称为生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。 N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子) 数反转分布数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 19 http:/ 半导体的能带和电子分布：半导体的能带和电子分布：(a) 本征半导体；本征半导体； (b) N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 Eg/2 Eg/2 Ef Ec Ev Eg 导 带 价 带 能 量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (

15、a)(b)(c) PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分 布的能带。能量低的能带称为布的能带。能量低的能带称为价带价带，能量高的能带称为，能量高的能带称为导带导带，导带导带底的能量底的能量 Ec 和价带顶的能量和价带顶的能量Ev 之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=Eg称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不。电子不 可能占据禁带。可能占据禁带。 20 http:/ 根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据

16、的概率的能级被电子占据的概率 为费米分布为费米分布 式中，式中，k为波兹曼常数，为波兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。Ef 称为称为费米能级费米能级(Fermi levels)，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在在Fermi能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 )exp(1 1 )( kT EE Ep f 21 http:/ 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带位于禁带 中央来表示，见上图。中央来表示，见上图。 在本征半

17、导体中掺入施主杂质，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体。 在在P型和型和N型半导体组成的型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子结界面上，由于存在多数载流子(电子或空电子或空 穴穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和区和N区的区的Ef 相同，两相同，两 种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。 22 h

18、ttp:/ P区 PN 结空 间电 荷区 N区 内部电场 扩散 漂移 P - N结内载流子运动结内载流子运动 势垒 能量 E p c P区 E n c E f E p v N区 E n v 零偏压时零偏压时P - N结的能带倾斜图结的能带倾斜图 23 http:/ hf hf E f E p c E p f E p v E n c n E n v 电子，空穴 内部电场 外加电场 正向偏压下正向偏压下P - N结能带图结能带图 增益区的产生：增益区的产生： 在在PN结上施加正向电压，产生与内结上施加正向电压，产生与内 部电场相反方向的外加电场，结果能带部电场相反方向的外加电场，结果能带 倾斜减小

19、，扩散增强。电子运动方向与倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与 电场方向相反，便使电场方向相反，便使N区的电子向区的电子向P区运区运 动，动，P区的空穴向区的空穴向N区运动，最后在区运动，最后在PN结结 形成一个特殊的形成一个特殊的增益区增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主增益区的导带主要是电子，价带主 要是空穴，结果获得要是空穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布。 在电子和空穴扩散过程中，导带的在电子和空穴扩散过程中，导带的 电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生 自发辐射光自发辐射光。 24 http:/ 原子总是想要存在最低可能的能级上，这是自然法原子

20、总是想要存在最低可能的能级上，这是自然法 则。为了使原子能够向低能级跃迁从而进行光辐射的则。为了使原子能够向低能级跃迁从而进行光辐射的 必要条件，需要先将原子提升到较高的能级，需要从必要条件，需要先将原子提升到较高的能级，需要从 外部赋予原子能量，当原子吸收了外部能量跃迁到较外部赋予原子能量，当原子吸收了外部能量跃迁到较 高的能级，当回落到低能级时就辐射出光子高的能级，当回落到低能级时就辐射出光子发光。发光。 这个通过给予外部能量使原子跃迁到高能级的过这个通过给予外部能量使原子跃迁到高能级的过 程称为泵浦或抽运（程称为泵浦或抽运（Pump） 25 http:/ N1, E1 N2, E2 N1

21、, E1 N2, E2 N1, E1 N2, E2 (a)(b)(c) 受激吸收受激吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 辐射光的波长由辐射光的能级决定，可以通过选辐射光的波长由辐射光的能级决定，可以通过选 择材料设计发射光波长。择材料设计发射光波长。 21 21 34 :6.626 10, hfEE c hEE hJ s 普朗克常数 26 http:/ 一个电子从一个高级向低能级跃迁时，它释放出一量子的能量称之为光子。一个电子从一个高级向低能级跃迁时，它释放出一量子的能量称之为光子。 半导体发光器件：若一个电子从导带向价带跃迁时释放出光子的能量半导体发光器件：若一个电子从导带向价带跃迁时

22、释放出光子的能量EP大大 于或者等于带隙能量于或者等于带隙能量Eg，这是由于在导带和价带之间不是一个而是多个能，这是由于在导带和价带之间不是一个而是多个能 级参与辐射过程，这个多波长辐射的结果就是半导体发射的光的光谱宽度。级参与辐射过程，这个多波长辐射的结果就是半导体发射的光的光谱宽度。 pg g g EE c hE hc E 光辐射与能带光辐射与能带 gg EE hc24. 1 式中，式中，f=c/，f (Hz)和和(m)分别为发射分别为发射 光的频率和波长，光的频率和波长， 1eV=1.610-19 J，代，代 入上式得到入上式得到 27 http:/ 28 http:/ 一个电子和空穴的

23、复合会释放出一个量子的能量一个电子和空穴的复合会释放出一个量子的能量 光子光子。即要使一个半导体发出辐射光，就必须要维持。即要使一个半导体发出辐射光，就必须要维持 电子和空穴的复合。然而耗尽电压阻止了电子和空穴电子和空穴的复合。然而耗尽电压阻止了电子和空穴 穿透到耗尽区，因此额外的能量必须被提供用来克服穿透到耗尽区，因此额外的能量必须被提供用来克服 这个电压障碍，这个额外的电压被称为正偏电压，这这个电压障碍，这个额外的电压被称为正偏电压，这 个正偏电压必须比耗尽电压大。个正偏电压必须比耗尽电压大。 29 http:/ 为了得到持久的光辐射，必须出现下述的动态过程：为了得到持久的光辐射，必须出现

24、下述的动态过程： N区附近的移动电子被外加电压的正极所吸引，进入耗区附近的移动电子被外加电压的正极所吸引，进入耗 尽区。同时尽区。同时P区附近空穴被外加电压负极所吸引也进入同一区附近空穴被外加电压负极所吸引也进入同一 耗尽区。在耗尽区电子和空穴复合产生光。同时电荷通过偏耗尽区。在耗尽区电子和空穴复合产生光。同时电荷通过偏 压电路返回。压电路返回。 一般来说，半导体中电子远比空穴容易移动，因此一般一般来说，半导体中电子远比空穴容易移动，因此一般 描述这样的动态过程只提电子到达有效区，省略空穴的移动。描述这样的动态过程只提电子到达有效区，省略空穴的移动。 30 http:/ LED (Light-

25、Emitting Diodes)工作原理工作原理 LEDLED发射的是自发辐射光（非相发射的是自发辐射光（非相 干光）。大多采用双异质结结构，干光）。大多采用双异质结结构， 把有源层夹在把有源层夹在P P型和型和N N型限制层间，型限制层间， 但没有光学谐振腔，故无阈值。但没有光学谐振腔，故无阈值。 LEDLED分为正面发光型和侧面发光分为正面发光型和侧面发光 型，侧面发光型型，侧面发光型LEDLED的驱动电流的驱动电流 较大，输出光功率小，但光束发较大，输出光功率小，但光束发 射角小，与光纤的耦合效率高，射角小，与光纤的耦合效率高， 故入纤光功率比正面发光型故入纤光功率比正面发光型LEDLE

26、D 高。高。 31 http:/ 32 http:/ 同质结：同质结：P区、区、N区为同一种物质（区为同一种物质（GaAs）构成的半导体称同质结半导体，这）构成的半导体称同质结半导体，这 两种半导体拥有相同的禁带宽度。两种半导体拥有相同的禁带宽度。 Pa LED Pe 同质结缺点同质结缺点: 1、激活区（电子空、激活区（电子空 穴复合区域）太发散，整个装置效穴复合区域）太发散，整个装置效 率很低，需要很高电流密度。由复率很低，需要很高电流密度。由复 合产生的光起初向各个方向辐射出合产生的光起初向各个方向辐射出 去，但是只在上电极一侧或者开边去，但是只在上电极一侧或者开边 一侧透光窗口才允许光最

27、终能从半一侧透光窗口才允许光最终能从半 导体结构中射出，所有其他可能的导体结构中射出，所有其他可能的 方向都被封住防止光外泄。方向都被封住防止光外泄。2、产生产生 的光束太宽，导致光源光纤耦合的光束太宽，导致光源光纤耦合 效率低效率低。 同质结与异质结同质结与异质结 33 http:/ 光纤 n1 n2 0 c n0 n0 c 1 0,max 0 2 2 2 1 sinsin sincos1 sin1 c ccc n n n n 2222 1 0,max1212 00 1 sinsin c n nnnn nn 34 http:/ 为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及为了克服同质结的

28、缺点，需要加强结区的光波导作用及 对载流子的限定作用，这时可以采用对载流子的限定作用，这时可以采用异质结异质结结构。所谓异质结构。所谓异质 结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的 PN结。异质结可分为单异质结（结。异质结可分为单异质结（SH）和双异质结（）和双异质结（DH）。）。 异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。它是异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。它是 利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的 材料对载流子进行限制。材料对载流子进行限制。 35

29、http:/ 异质结：由几种异质结：由几种 不同类型的半导不同类型的半导 体材料组成，每体材料组成，每 种材料有不同的种材料有不同的 禁带宽度。大规禁带宽度。大规 模商业化生产的模商业化生产的 光定向好的并具光定向好的并具 有可接受效率的有可接受效率的 LED都采用异质都采用异质 结。结。 1、相邻层间带隙差限制了载流子激活区、相邻层间带隙差限制了载流子激活区 2、相邻层间折射率差使辐射光约束在中心有源层、相邻层间折射率差使辐射光约束在中心有源层 36 http:/ 双异质结：为了进双异质结：为了进 一步降低阈值电流实一步降低阈值电流实 现室温下连续工作，现室温下连续工作， 通常采用双异质结结

30、通常采用双异质结结 构，与单异质结相比，构，与单异质结相比， 双异质结进一步限制双异质结进一步限制 了载流子的扩散和光了载流子的扩散和光 波衍射，从而进一步波衍射，从而进一步 降低了电流密度。降低了电流密度。 37 http:/ 颜色颜色 波长波长 （nm） 基本材料基本材料 正向电压正向电压 （10mA时）时） V 光强（光强（10mA时，时， 张角张角45） （mcd） 光功率光功率 （W） 红外红外900砷化镓砷化镓1.31.5 100500 红红655磷砷化镓磷砷化镓112 鲜红鲜红635磷砷化镓磷砷化镓2.02.224510 黄黄583磷砷化镓磷砷化镓2.02.21

31、338 绿绿565磷化镓磷化镓11.58 LED的主要特性的主要特性 38 http:/ LED的的P-I特性如图所示。与半导体激光器的特性如图所示。与半导体激光器的P-I特性相比，特性相比，LED 没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性 的，当注入电流较大时，由于的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。结的发热而出现饱和现象。 (1(1）P-IP-I特性：特性： 39 http:/ 正向电流促使电子进入耗正向电流促使电子进入耗 尽区，在那里它们同时以辐射尽区，在那里它们同时以辐射

32、 和非辐射两种方式与空穴发生和非辐射两种方式与空穴发生 复合。因此，非辐射复合占用复合。因此，非辐射复合占用 了产生辐射复合的电子数量，了产生辐射复合的电子数量， 从而降低了这个过程的效率，从而降低了这个过程的效率， 我们用内部量子效率我们用内部量子效率 来衡来衡 量量 int LED输入输出特性如图所示：输入输出特性如图所示： 特点特点:无阈值，线性范围大，当无阈值，线性范围大，当I增大，由于增大，由于PN结发热，出现饱和现象。结发热，出现饱和现象。 40 http:/ 光功率光功率P等于每秒通过的光子数目与单个光子能量等于每秒通过的光子数目与单个光子能量EP的乘积。而每的乘积。而每 秒通过

33、的光子数目等于每秒通过的受激电子数目与内部量子效率的乘秒通过的光子数目等于每秒通过的受激电子数目与内部量子效率的乘 积，我们可以得到公式：积，我们可以得到公式： intP NE P t 每秒通过的电子数目与电子电量每秒通过的电子数目与电子电量e的乘积就是电流的乘积就是电流I的定义：的定义： It N e Ne I t intintPP EEIt PI ete 内部量子效率（内部量子效率（internal quantum efficiency）：输出光子数与注入）：输出光子数与注入 电子数之比电子数之比 41 http:/ 外部量子效率外部量子效率 ext 单位时间发射到半导体外的光子数 单位时

34、间半导体内发生复合的电子空穴对数 半导体内产生的光子，通过半导体向外传播时，由半导体内产生的光子，通过半导体向外传播时，由 于受到半导体的吸收，被半导体表面反射，通常用外量于受到半导体的吸收，被半导体表面反射，通常用外量 子效率来描述。子效率来描述。 考虑到耦合效率，实际上耦合进光纤的光功率更少。考虑到耦合效率，实际上耦合进光纤的光功率更少。 42 http:/ (2(2）光谱特性以及温度依赖性）光谱特性以及温度依赖性 ： 由于在发光二极管中没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是由于在发光二极管中没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是 自发辐射的光谱。在室温下，短波长自发辐射的光谱。在室温下，短波

35、长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为谱线宽度为 3050nm，长波长，长波长InGaAsP-InP LED谱线宽度为谱线宽度为60120nm。 随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向 漂移，其漂移量为漂移，其漂移量为0.3nm/左右。左右。 43 http:/ 44 http:/ VBR 反向击穿电压反向击穿电压 指二极管加反向电压时，使反向电流突然增指二极管加反向电压时，使反向电流突然增 大时的电压。不同的二极管有不同的反向击大时的电压。不同的二极管有不同的反向击 穿电压。穿电压。 I IR R（I IS

36、 S） 反向饱和电流反向饱和电流 指二极管加反向电压时，在没有击穿前的电流。越小越好。一指二极管加反向电压时，在没有击穿前的电流。越小越好。一 般几般几nA到几到几A。 (3(3）U-IU-I特性：特性： IF 最大整流电流最大整流电流 指正常功率下的正向平均电流；根据二极管指正常功率下的正向平均电流；根据二极管 功率不同，由几功率不同，由几mA到几百到几百mA。 45 http:/ (4(4）调制特性：）调制特性： LED有两种调制方式模拟调制和数字调制，如下图所示。有两种调制方式模拟调制和数字调制，如下图所示。 46 http:/ LED的带宽主要由注入有源区的载流子寿命时间的带宽主要由注

37、入有源区的载流子寿命时间e的限制，的限制，e一般一般 为为10-8s的量级，发光二极管的频率响应可以表示为：的量级，发光二极管的频率响应可以表示为： 2 ( )1 ( ) (0) 1(2) e P f H f P f 式中：式中：P(0)是是0频率下频率下LED的发射光功率；的发射光功率；P(f)是调制频率是调制频率f下下LED 的输出光功率。的输出光功率。 其调制的最高频率通常只有几十其调制的最高频率通常只有几十MHz，从而限制了，从而限制了LED在高速光在高速光 通信中的应用。通信中的应用。 47 http:/ 边发边发射射 Edge Emitting LED D = 70nm 面面发发射

38、射 Surface Emitting LED D = 135nm LED 结构结构 48 http:/ 面发射（面发射（Surface Emitting ）LEDLED辐射模式辐射模式 指发出的光垂直于指发出的光垂直于PN结平面的结平面的LED。1969年由布鲁斯提出。年由布鲁斯提出。PN结面积小有利于迅结面积小有利于迅 速散热，可在较高电流密度下工作。特点是在速散热，可在较高电流密度下工作。特点是在N型材料上腐蚀一个出光孔，减少了吸收损型材料上腐蚀一个出光孔，减少了吸收损 耗，提高效率并有利于和光纤耦合。耗，提高效率并有利于和光纤耦合。SLED输出功率较大，一般在输出功率较大，一般在100m

39、A有几有几mW输出。输出。 主要用于低码率短距离光纤通信系统。主要用于低码率短距离光纤通信系统。 49 http:/ LED Surface Io I()=Iocos Intensity Distribution 60 60 Divergence at FWHM Lambertian 光源辐射图光源辐射图 n辐射光的形式为朗伯辐射光的形式为朗伯 （lambertian）光源）光源 n在在LED衬底上蚀刻一个小孔衬底上蚀刻一个小孔 使发射的光直接耦合进光纤使发射的光直接耦合进光纤 n衬底上发光区域垂直于光纤衬底上发光区域垂直于光纤 轴轴 n用折射率匹配的环氧树脂涂用折射率匹配的环氧树脂涂 在结合

40、处提高耦合效率在结合处提高耦合效率 面发射面发射LEDLED特点特点 50 http:/ Pa LED Pe 若若LEDLED发出的光为朗伯光，那么被耦合进一个数值孔径为发出的光为朗伯光，那么被耦合进一个数值孔径为NANA 的阶跃折射率光纤的光功率可以用下面公式计算：的阶跃折射率光纤的光功率可以用下面公式计算： 2 0 22 12 00 1 2 : cos : : in in PP NA NAnn P PPP n n 耦合进光纤的光功率 ：由公式决定 光纤纤芯折射率， 光纤包层折射率 思考思考 51 http:/ 边发射（边发射（ Edge Emitting ）LEDLED 辐射模式辐射模式

41、又称侧面发光管（又称侧面发光管（ELED），发射光平行于），发射光平行于PN结平面的发光管。这种结平面的发光管。这种LED工作时把注入的电工作时把注入的电 流限制在窄条内。由于异质结波导效应，在垂直于结平面方向具有较小发散角。虽然总功率相对流限制在窄条内。由于异质结波导效应，在垂直于结平面方向具有较小发散角。虽然总功率相对 SLED小，但是光束集中，和光纤耦合效率高。另外由于有源层很薄，截止频率可以做得较高，小，但是光束集中，和光纤耦合效率高。另外由于有源层很薄，截止频率可以做得较高， 一般在一般在50100MHz，可用于传输速率在三次群以上更快光通信系统。，可用于传输速率在三次群以上更快光通

42、信系统。 52 http:/ n主要的激活区是一个窄带主要的激活区是一个窄带. n半导体后部被抛光有很高的反射率，前部是采取抗半导体后部被抛光有很高的反射率，前部是采取抗 反射的措施，发射的光从后部反射到前面，再发射反射的措施，发射的光从后部反射到前面，再发射 出去。出去。 n激活区通常激活区通常 100-150m长长 50-70m 宽，这样设计宽，这样设计 是为了和典型的光纤纤芯尺寸匹配（是为了和典型的光纤纤芯尺寸匹配（50-100m）。）。 n与面发射相比，和光纤纤芯有更好的耦合效率。与面发射相比，和光纤纤芯有更好的耦合效率。 边发射边发射LEDLED 特点特点 53 http:/ 和光纤

43、的耦合和光纤的耦合 54 http:/ 高速发光二极管高速发光二极管 一般对于短距离光网络系统应用，倾向于一般对于短距离光网络系统应用，倾向于LED而不是而不是LD，主要是，主要是 因为因为LED低成本、高温度稳定性、高可靠性、相对较宽的工作温度范低成本、高温度稳定性、高可靠性、相对较宽的工作温度范 围、低噪声以及简单的控制电路。但是小的带宽和入纤光功率限制了围、低噪声以及简单的控制电路。但是小的带宽和入纤光功率限制了 它在短距大容量系统中的应用。它在短距大容量系统中的应用。 因此对于光纤传输系统而言，要求因此对于光纤传输系统而言，要求LED有高输出功率和宽的调制有高输出功率和宽的调制 带宽。对于高速系统而言，宽的调制带宽是第一需要。这就需要增加带宽。对于高速系统而言，宽的调制带宽是第一需要。这就需要增加 二极管有源区的复合（辐射和非辐射）速率，减少少数载流子寿命。二极管有源区的复合（辐射和非辐射）速率，减少少数载流子寿命。 55 http:/ 高速高速LED设计制作准则设计制作准则 (1）高注入电流和小的有源区面