光电信息处理技术：发光二极管

1第一章光电显示技术发光二极管液晶显示等离子体显示电致发光及场致发光器件激光显示2§1.1发光二极管§1.1.1半导体光源的物理基础§1.1.2发光二极管的工作原理§1.1.3LED的特点及应用3

§1.1发光二极管§1.1.1半导体光源的物理基础1、基本概念在物质的原子中，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。

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。4（1）受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自发辐射（3）受激辐射5

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）。

价带导带禁带价带：能量最高的被价电子填满的能带导带：价带以上的能带，基本上是空的禁带：价带与导带之间的区域半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体。n型半导体的能带示意图

实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体杂质半导体N型半导体(掺有施主杂质原子，有额外的电子)P型半导体(掺有受主杂质原子，有额外的空穴)假定取代半导体的原子的另一种物质的原子比半导体的原子具有较多的价带电子。相反地，杂质原子可以比半导体原子具有较少的价带电子。p型半导体的能带示意图总结：为了使半导体的电导率发生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了，因为杂质的电离能比禁带宽度要小得多，所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大。10

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

4.1.1-2

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。内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层2、PN结及其单向导电性

①PN结的形成

少子漂移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散

又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流，总电流＝0平衡PN结能带图P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级P型N型p-n结的能带图②PN结的单向导电性(A)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

(B)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

外电场的方向与内电场方向相同。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。17

将二极管N型的一端与电路的负极相连，同时P型的那一端与正极相连。N型材料中的自由电子被负极排斥，又被正极吸引；而P型材料中的空穴会沿反方向移动。如果两电极之间的电压足够高，耗尽区内的电子会被推出空穴，从而再次获得自由移动的能力。此时耗尽区消失，电荷可以通过二极管。1.1.2发光二极管的工作原理18

若将P型端连接到电路负极、N型端连接到正极的话，电流将不会流动。N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上；P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动，PN结将不会有电流通过，耗尽区也会扩大。19自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。这种发射过程主要对应光的自发辐射过程。

PN结上加正向偏压时：LED的发光原理20

尽管所有的二极管都能发光，但大多数发光效果并不好。在普通二极管内，大量的光能最终会被半导体材料自身吸收。LED因其独特的构造，可以向外释放大量的光子。另外，它们被安置在一个可以将光线汇聚到某一特定方向的塑料灯泡里面。二极管发出的大部分光线被灯泡侧壁反射回来，然后继续传播，直至它们穿过灯泡的圆形顶端。

21发光二极管(LED)22基本结构

1、面发光二极管

图1.1.2-2面发光二极管的结构示意图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232、

边发光二极管

图1.1.2-3边发光型LED的结构示意图金属化层(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24电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。§1.1.3LED的特点及应用25对环境污染：无有害金属汞。颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。26二、

应用

1、

指示灯

在LED的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、信号灯等。以前，作为显示用光源，一直采用普通钨丝白炽灯泡，但存在耐振性差、易破碎等问题。随着LED的登场，特别是鉴于LED的许多优点，指示灯目前正处于更新换代中。通常，LED的寿命在数十万小时以上（在规定的使用条件下），为普通白炽灯泡的100倍以上。而且具有功耗小、发光响应速度快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显优势。272、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1.1.4-1点矩阵型数字显示图1.1.4-2字段型数字显示树脂反射框引线框