发光二级管精品课件

1、发光二级管第1页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二1第2章 电光信息转换第2章 电光信息转换 2.1 发光二极管 2.2 半导体激光器 第2页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二22.1 发光二极管2.1 发光二极管2.1.1 半导体光源的物理基础发光二极管的工作原理、结构及驱动 2.1.3 LED的特性2.1.4 LED的特点及应用 第3页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二32.1 发光二极管 2.1 发光二极管2.1.1 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E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(I=2,3,4

2、) 称为激发态。 电子在低能级与高能级之间可以有3 种跃迁，下面以E1与E2能级为例进行介绍。第4页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二4（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自发辐射（3）受激辐射第5页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二52.1 发光二极管 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 式中， ，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。 第6页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二62.1 发光二极管在热平衡状态下，总是有 。

3、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）。 第7页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二72.1 发光二极管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型半导体图半导体的能带和电子分布第8页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二82.1 发光二极管 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

4、概率为费米-狄拉克分布 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 第9页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二92.1 发光二极管 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体 。 在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体 。 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。 第10页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二102.1 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空穴电子扩散漂移第11页，共21页，2022

5、年，5月20日，4点10分，星期二11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、结构及驱动一、工作原理 发光二极管（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光输出第12页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二12二、基本结构 1、面发光二极管 图2.1.2-2 面发光二极管的结构示意图 发光二极管的

6、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第13页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二132、 边发光二极管 图边发光型LED的结构示意图 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)有源区第14页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二14三、驱动电路 图2.1.2-4 LED驱动电路 发光二极管的工作原理、结构及驱动+5VLEDReRb2Rb1Vin第15页，共21页，2022年，5

7、月20日，4点10分，星期二152.1.3 LED的特性 2.1.3 LED的特性一、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第16页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二16二、 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的特性三、 输出光功率特性 L

8、ED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。第17页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二172.1.4 LED的特点及应用 2.1.4 LED的特点及应用一、特点 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

9、、蓝三原色的组合，可以实现全色化。 3、LED的辉度高。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。正是基于第18页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二182.1.4 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。 5、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。 第19页，共21页，2022年，5月20日，4点10分，星期二19二、 应用 1、 指示灯 2 、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芯片第2