发光二极管和半导体激光器

发光二极管和半导体激光器主要内容概述半导体物理基础发光二极管的结构、原理和特性参数半导体激光器的结构、原理和特性参数概述固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。

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发光二极管

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半导体激光器★

液晶显示器★

阴极射线管★

等离子显示发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)和半导体激光器(laserDiode，简称LD)都属于发光器件，都采用pn结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们之间的主要区别是：发光二极管靠注入的载流子自发复合的自发辐射，发射的是非相干光；而半导体激光器靠受激辐射，发射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二极管的好得多。与其它发光器件相比，半导体发光器件具有体积小、工作电压低、功耗低、机械性能好、调制方便等优点。因而有着广阔的应用前景，目前主要用在信息的传递、处理、存贮和显示方面。LED多用于各种仪器仪表的指示器，数字、文字及其它符号的显示，光通信、精密测距及其它物理检测的光源。LD在通信、测距、光集成、信息的存贮和处理等方面具有重要的应用。可是这两类器件，目前还存在发光效率低、成本高、寿命还不够长等缺点，尚待进一步研究解决。1半导体物理基础pn结注入式场致发光原理电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，分别为(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射，下面以E1与E2能级为例进行介绍。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。

（1）受激吸收E2E1hv在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。（2）自发辐射E2E1hv自发辐射：非相干光在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。（3）受激辐射E2E1hvhvhv受激辐射：相干光在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。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。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（或激活介质）。

式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。

设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，粒子分布遵循玻耳兹曼统计分布N1：处于低能级的粒子数量(价带电子数/导带空穴数)N2：处于高能级的粒子数量(导带电子数/价带空穴数)(1)N1>N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。(2)N2>N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。半导体内的粒子分布状态：问题:如何得到粒子数反转分布的状态?

本征半导体的能带结构在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，能级E被电子占据的几率为:式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，叫做费米能级。费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入射光的频率满足PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区的费米能级达到同一水平外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。

当在PN结上加正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使PN结的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高eV。此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费米能级来计算

价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算

价带顶电子占据几率则为

在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是

因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带的宽度。

基本原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复合导致发光。为什么要使用LED：1.驱动电路简单2.不需要温控电路3.成本低、产量高缺点：4.输出功率不高：几个毫瓦5.谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输2发光二极管的工作原理、结构及特性参数一、工作原理

发光二极管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，发射的是非相干光。

PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出双异质结半导体发光二极管的结构示意图反型异质结同型异质结二、基本结构1、面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高载流子注入25mm5mm2、边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70mm100~150mm30º120º化合半导体材料->直接带隙材料->用于做光源

-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物)LED光源的材料和工作波长：单质半导体材料->间接带隙材料->不适合做光源LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化镓掺铝)：800~850nm短波长光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化铟掺砷化镓)：1000~1700nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长三

LED的特性特点：1.自发辐射光->LED谱线较宽

2.面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽

3.长波长光源谱宽比短光源宽

-短波长GaAlAs/GaAs谱宽30~50nm-长波长InGaAsP/InP谱宽60~120nm光谱特性LED的内部量子效率和内部功率内量子效率hint那么LED的内部发光功率为：其中T(f)为菲涅尔透射系数。假定外界介质为空气(n2=1)，外量子效率为：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。和LED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性驱动电流较小->LEDP-I特性线性度好驱动电流较大->pn结发热产生饱和现象->曲线斜率减小通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦四发光二极管的特点及应用

1、

LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。

2、

LED的发光颜色非常丰富，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。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。

3、LED的单元体积小。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。

4、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。四发光二极管的特点及应用应用指示