第2章第1节发光二极管

第2章电光信息转换第2章电光信息转换器件

将电信号转换为光信号的器件称为电光转换器件。必要性接收信息传输信息1第2章电光信息转换第2章电光信息转换基本要求发光光谱特性发光强度稳定性发光面积发光效率空间分布寿命2第2章电光信息转换§2.1发光二极管§2.1发光二极管（LED）半导体光源的物理基础LED的工作原理、结构及驱动LED的特性应用3第2章电光信息转换§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…)称为激发态。4第2章电光信息转换

受激吸收:外界入射光子能量近似等于E2-E1，电子会吸收光子由E1到E2E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv

自发辐射：E2上电子不稳定，自发跃迁到低能级的E1，释放一个能量E2-E1光子

受激辐射：E2上电子,受到入射光，由E2跃迁到E1，释放一个能量E2-E1光子一、三种跃迁发光二极管与半导体激光器，分别属于自发辐射和受激辐射发光，前者辐射光非相干的，后者辐射光是相干的5第2章电光信息转换§2.1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。6第2章电光信息转换§2.1发光二极管在热平衡状态下，总是有N1>N2。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N2>N1

，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）。

7第2章电光信息转换§2.1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(b)N型半导体(a)本征半导体导带价带EcEvEfEg(c)P型半导体

能级低的能带称为价带，能级高的能带称为导带，能量之间的差称为禁带宽度，电子不能处于禁带。8第2章电光信息转换§2.1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概率为费米-狄拉克分布

T→0，P(E)→0，这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。Ef:费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级中，被电子占据的和空穴占据的概率相等。9第2章电光信息转换§2.1发光二极管本征半导体的能带结构对于本征半导体，电子和空穴成对出现，费米能级在禁带的中间位置。10第2章电光信息转换§2.1发光二极管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N型半导体，Ef将增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减小。P型半导体，Ef将减小，导带的电子减小，价带的空穴相对增多。11第2章电光信息转换§2.1发光二极管在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，如下图所示。内部电场产生与扩散相反的漂移运动，直到P区与N区的Ef相同为止，结果能带发生倾斜。当在PN结上加正向电压，产生于内部电场相反方向的外电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子的运动方向与电场相反，使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，在PN结形成一个增益区，增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。电子和空穴的扩散过程中，导带电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光12第2章电光信息转换内建电场空间电荷区PN空穴电子扩散漂移13第2章电光信息转换§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（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，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PNP-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出图2.1.2-1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14第2章电光信息转换二、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§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15第2章电光信息转换2、

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16第2章电光信息转换§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动

LED的供电电路一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。3、驱动电路1、直流驱动2、交流驱动~+5VLEDReRb2Rb1Vin图2.1.2-4LED驱动电路3、发光二极管接入线性放大电路中通过调节三极管基极偏置电压，可以获得需要的辐射光功率。17第2章电光信息转换

§2.1.3LED的特性二、光谱特性描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长与半强度宽度。其峰值波长由材料的禁带宽度决定。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。1300波长/nmΔλ=70nm相对光强图2.1.3-1LED光谱U(V)I(mA)一、伏安特性伏安特性即电流电压特性，是发光二极管的基本特性。下图是LED的伏安特性图18第2章电光信息转换§2.1.3LED的特性

四、

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。

边发光

0200400电流I/mA

发射光功率P/mW

面发光151050图2.1.3-2LED的P-I曲线三、

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，，。五、

温度特性六、

寿命19第2章电光信息转换

§2.1.4LED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、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。20第2章电光信息转换二、

应用§2.1.4LED的特点及应用

1、

指示灯2、数字、文字及图像显示1)最简单的七段式数码管2)14列字码管3)在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列·3、光源

LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。21第2章电光信息转换

§2.1.3LED的发展与应用白光LED

一种方法是将不同颜色的LED混合在一起产生白光。就像电视用炽热的红、绿、蓝色荧光粉来产生各种颜色，当然也包括白色，恰当的LED组合也可以产生白光。标准组合是红、绿、蓝色二极管的组合，而最佳组合仅仅用蓝色和桔色两种LED即可。第二种方法是用LED去激励其它可以发出白光的材料。一种由氮化镓组成的装置可以发出蓝色光，在这种装置的内部涂上一层磷光剂，磷光剂在受到蓝色光照射后会产生白光，从而实现了一个白光发射器。蓝光光子具有更高的能量，足以触发磷光剂发射白光。波士顿大学光子研究中心的研究人员最近提出了一种白光二极管，它综合了前面提到的两种方法。他们的“光子再循环”装置由两个LED组成，它们在同一芯片上，由铝烟镓磷(AllnGaP)半导体复合物制成的LED叠在发蓝色光的氮化镓LED之上。蓝光撞击AllnGaP层；一些蓝色光子释放能量并产生桔黄色的光子；其他的光子则通过AllnGaP合金层。选择适当的材料和厚度就可以使通过的光子混合而产生白光。对于多芯片的设计，发光颜色可以通过对不同的二极管所加能量的不同任意进行调谐。但是在“光子再循环”装置中，颜色永远取决于所选的材料。22第2章电光信息转换超高亮度LED热点应用大、中、小屏幕显示器 各种广告牌、体育记分牌、金融和交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏，2002年中国市场超过20亿元，几乎全部采用中国国产显示屏。汽车用灯汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的剎车灯、尾灯、侧灯、头灯等均在逐步采用LED显示。据报道，2001年全世界超高亮度LED在汽车上的用量占26%的份额，一部汽车可用LED(或管子)200只到300只，中国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机背光源主要是液晶LCD显示器上用的背光源，有白色和其他各种顏色，现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED。据报道，全世界2001年超高亮度LED在背光源上的用量占30%的份额。目前中国手机生產量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对於中国LED產品来说，这也是个极好的市场机会。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广的速度很快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。景观照明、装饰灯及各种专用显示器市场用量很大，估计每年用量为几十亿只。

白光照明已开始从小功率白光LED灯用起，如安全照明灯、显微镜灯、白光背光源、手电筒、特种白光照明等，并逐步向白光照明迈进。超高亮度及白光LED应用北京2008年奥运会相关照明显示工程中LED的项目，这是个推动LED照明业发展的极好机会。另外，只有