第2章电光信息转换

1、上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换1第2章 电光信息转换 第第2章章 电光信息转换电光信息转换 n 将电信号转换为光信号的器件称为将电信号转换为光信号的器件称为半导体电光转换器件半导体电光转换器件 。n 本章主要介绍发光二极管、半导体本章主要介绍发光二极管、半导体激光器。激光器。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换2第2章 电光信息转换第第2章章 电光信息转换电光信息转换 2.1 发光二极管 2.2 半导体激光器 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换32.1 发光二极管2

2、.1 发光二极管发光二极管n2.1.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础n2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动发光二极管的工作原理、结构及驱动 n2.1.3 LED的特性的特性n2.1.4 LED的特点及应用的特点及应用 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换42.1 发光二极管 2.1 发光二极管发光二极管 在物质的原子中，存在许多能级，最低能在物质的原子中，存在许多能级，最低能级级E1称为称为基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei(I=2,3,4) 称为称为激发态激发态。 电子在低能级与高能级之间可以有电子在低能级与高能级之

3、间可以有3 种跃种跃迁，下面以迁，下面以E1与与E2能级为例进行介绍。能级为例进行介绍。上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换5（1）受激吸收受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自发辐射自发辐射（3）受激辐射受激辐射上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换62.1 发光二极管 n 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

4、，T为热力学温度。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换72.1 发光二极管n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吸收物质。n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增益介质（或（或激活介质激活介质）。 21NN 12NN 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换82.1 发光二极管n半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体。 导带 价带 Ec Ev Ef Eg Eg/2 Eg/2 能量

5、 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上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换92.1 发光二极管n 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 2.1.1-2 kTEEEPfexp11)(fE称为费米能级费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换102.1 发光二极管n 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体 。n

6、 在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体 。n 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。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换112.1 发光二极管图2.1.1-3 PN 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上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换122.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动 发光二极管发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置

7、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光输出上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换13n二、基本结构二、基本结构 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上一张章首章首下一张下一张结束

8、结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换14 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)有源区上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换15n三、驱动电路三、驱动电路 图2.1.2-4 LED驱动电路 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动+5VLEDReRb2Rb1Vin上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换162.1.3 LED的特性 一、光谱特性一、光谱特性 发光二极管

9、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2.1.3-1 LED光谱 图2.1.3-2 LED 的P-I曲线1300 波长/nm=70nm相对光强 0 200 400 电流I /mA 发 射光 功率P/mW 面发光 边发光 15105 0上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换17n二、二、 光束的空间分布光束的空间分布 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)(0PP120120/35252.1.3 LED的特性n三、三、 输出光功率特性输出光功率特性

10、 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。上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换182.1.4 LED的特点及应用 。 ，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。 随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下，

11、由LED发出的光也能视认。正是基于上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换192.1.4 LED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。 。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。 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。 上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第2章 电光信息转换20n二、二、 应用应用 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