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发光二级管1第1页，此课件共21页哦第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 2第2页，此课件共21页哦2.1 发光二极管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n2.1.3LED的特性的特性n2.1.4LED的特点及应用的特点及应用3第3页，此课件共21页哦2.1 发光二极管 2.1 发光二极管发光二极管n n2.1.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础在物质的原子中，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)称称为为激发态激发态。电电子子在在低低能能级级与与高高能能级级之之间间可可以以有有3 种种跃跃迁迁，下面以下面以E1与与E2能级为例进行介绍。能级为例进行介绍。4第4页，此课件共21页哦（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5第5页，此课件共21页哦2.1 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 2.1.1-1 式中，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。6第6页，此课件共21页哦2.1 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，这种物质称为吸吸收物质收物质。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）。7第7页，此课件共21页哦2.1 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8第8页，此课件共21页哦2.1 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 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。9第9页，此课件共21页哦2.1 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 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。10第10页，此课件共21页哦2.1 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11第11页，此课件共21页哦2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动2.1.2 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、结构及驱动一、工作原理一、工作原理一、工作原理一、工作原理 发发光光二二极极管管（light emitting diode，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，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12第12页，此课件共21页哦n二、基本结构二、基本结构 1 1、面发光二极管、面发光二极管、面发光二极管、面发光二极管 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13第13页，此课件共21页哦2 2、边发光二极管边发光二极管 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14第14页，此课件共21页哦n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+5VLEDReRb2Rb1Vin15第15页，此课件共21页哦2.1.3 LED的特性 2.1.3 LED的特性的特性一、光谱特性一、光谱特性 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 016第16页，此课件共21页哦n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，。2.1.3 LED的特性n三、三、输出光功率特性输出光功率特性 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。17第17页，此课件共21页哦2.1.4 LED的特点及应用 2.1.4 LED的特点及应用的特点及应用n n一、特点一、特点 1 1、LEDLED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2 2、LEDLED的的的的发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色非非非非常常常常丰丰丰丰富富富富，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 3、LEDLED的的的的辉辉辉辉度度度度高高高高。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。正是基于18第18页，此课件共21页哦2.1.4 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。4、LED的的的的单单单单元元元元体体体体积积积积小小小小。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。5、寿寿寿寿命命命命长长长长，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。19第19页，此课件共21页哦n二、二、应用应用 1 1、指示灯指示灯指示灯指示灯 2 2、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器 利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。图2.1.4-1点矩阵型数字显示 图2.1.4-2 字段型数字显示 2.1.4 LED的特点及应用树脂反射框引 线 框架LED芯片20第20页，此课件共21页哦3 3、平面显示器、平面显示器、平面显示器、平面显示器 LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。4 4、光源、光源、光源、光源 LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。2.1.4 LED的特点及应用21第21页，此课件共21页哦