发光器件与光电耦合器件

1、第6章 发光器件与光电耦合器件 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。 本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件及光电耦合器件。 6.1 发光二极管的基本工作原理与特性 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有

2、许多优点。 6.1.1 发光二极管的发光机理 发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。 1. PN结注入发光结注入发光 PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图6-1 所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。 2. 异质结注入发光异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a）表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时结区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。 对n区电

3、子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-13（b）。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG10.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaSb区复合发光。 由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2 基本结构 1. 面发光二极管面发光二极管 图6-3所示为波长0.80.9m的双异质结GaAsAIGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50m，厚度小于2.5m。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区

4、平面正垂直接入，周围用粘合材料加固，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120。 2. 边发光二极管 图6-4所示为波长1.3m的双异质结InGaAsPInP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N型AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为5070m，长度为100150m。边发光LED的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为2535

5、，垂直方向为120。 6.1.3 LED6.1.3 LED的特性参数的特性参数 1. 发光光谱和发光效率 LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。对于辐射跃迁所发射的光子，其波长与跃迁前后的能量差E之间的关系为hcE。复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽Eg。因此，峰值波长由材料的禁带宽度决定。 例如GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的

6、禁带宽度少0.3eV。图6-5给出了GaAs0.6Po.4 和GaP的发射光谱。当GaAs1xPx中的x值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线半宽度大致为 2030nm。GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。 峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm/的比例向长波方向移动。 发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎/安）。GaAs红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示。 发光效率由内部量子效率与外部量子

7、效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命r和rn，其中辐射复合率与1/r成正比，无辐射复合率为1/rn，内部量子效率为 nr11rieoinnn（6-1） 式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器件的电子数,r是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才能获得有效的光子发射。 必须指出，辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反射而返回晶体内部后

8、被吸收，只有一部分发射出去。因此，将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin定义为外部量子效率ex，即inexnnex(6-2) 对 GaAs这类直接带隙半导体，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O红光发射效率ev很小，最高为15；发绿光的GaPN的ev约为0.7；对发红光的 GaAs0.6P0.4，其ex约为0.4；对发红外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev约为 0.1。 2. 时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率的措施有三条： 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55）涂敷在发光二极管上； 把晶体表面加工成半球形

9、； 用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。 发光二极管的时间响应快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。 通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图6-6 表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光亮度Le,r与温度t的关系曲线。 3. 发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为 ReiLdn(6-3) 式中，是载流子辐射复合寿命R和非辐射

10、复合寿命NR的函数 如图6-7所示为GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(绿色)发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线。这些LED的亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和。 4. 最大工作电流 若工作电流较小，LED发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。图6-8所示为发红光的GaP发光二极管内量子效率in的相对值与电流密度J及温度T的关系。随着电流密度的增加，pn结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。 因此，最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LED的最大功耗为Pmax，则其最大的电流为 ddd

11、fffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4） 式中，rd为LED的内阻；If、Uf均为它在较小电流时的电流和压降。 5. 伏安特性 LED的伏安特性如图6-9所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时，正向电流与电压的关系为 iioexp(eV/mkT) (6-5) 式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。 6. 寿命 LED的寿命定义

12、为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。 7. 响应时间 在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。 8. 光强发布 不同型

13、号的LED发出的光在半球空间内具有不同的光强分布规律。常如图6-10所示其机械轴与光轴往往并不重叠而在空间上具有夹角，LED的发光强度是光轴为基准关于角度的函数Iv=f ()不同的应用对分布函数的要求不同，希望远距离传输光能量的应用要求半角宽度尽量小，以免能量在传输过程中损失过大。而要求获得均匀面光源的情况下又要求其“半角”尽量增大。发光强度衰减到一半时所对应的角度称为LED的半发光强度角（或半角），用1/2表示。半角宽度，光轴与机械轴偏向角的测量在实际应用中是非常重要的环节。因此，设计出多种测量设备。天津市耀辉光电技术有限公司生产的LEDA-型发光角度特性测试仪为其最佳产品。它能够同时测量“偏向角”、“半角”和LED正、反向电流、电压等特性参数。6.1.4 6.1.4 驱动电路驱动电路 LED工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图6-10所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源