发光二极管LED与

发光二极管LED与第1页/共30页发光二极管（LED）

——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。第2页/共30页发光二极管（LED）

——工作原理第3页/共30页1、发光二极管的伏安特性曲线

表示发光二极管性能的参数有电学方面的，也有光学方面的，最基本的是发光二极管的电流-电压特性。曲线形状和普通半导体二极管差不多，电压值很低时，几乎没有电流；在正向特性一边，电压超过1V或1.5V左右时，电流迅速上升，显示出欧姆导通特性，这个电压值称为开启点。开启点电压的大小决定于半导体材料。第4页/共30页2、光通密度与电流密度的关系

总的说来，光通密度随着电流密度的增加而成正比例增加，但不容易出现饱和，镓铝砷和镓砷磷发光二极管就是呈现这样的特性。对于一些掺杂不是很高的材料，当载流子达到一定数值后，光通密度达到饱和，再增加电流注入时，光通密度增加很少，甚至不再增加。电流密度/（mA·cm-2）光通密度（lm·cm-2）110102103110102103010-1磷化镓、绿色磷化镓、红色镓砷磷镓铝砷第5页/共30页3、出光效率出光效率

是指P-N结辐射复合产生的光子射到外部的百分数。

换句话说，是表示器件内部的光如何有效地发射出来的参数。影响因素：半导体本身对光的吸收；材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的全反射）。第6页/共30页说明及解决措施

由于所用半导体材料的折射比空气的折射率大得多，因此，出射角度不大时，就已经形成了全内反射，使得结平面产生的光透射不出来。即使出射角度很小时，也会有一大部分光被反射回去。光线在空气界面折射时，按照菲涅尔射定律，有部分能量反射回去。为了提高光的透射率，人们想了很多措施，如用高折射率、低熔点的透明玻璃对管芯进行拱形或半球形封装。光在封装材料内，几乎是垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反射，这样出光效率可以提高4~7倍。第7页/共30页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。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。第8页/共30页LED的特点及应用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单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小范围内也可使用，，再回上低电压、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。

第9页/共30页LED的特点及应用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10页/共30页LED的应用指示灯在LED的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、信号灯，LED正在成为指示灯的主要光源。LED的寿命在数十万小时以上，为普通白炽灯的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的优势.第11页/共30页LED的应用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。点矩阵型如图示，使LED发光元件纵横按矩阵排列，按需要显示的数字只让相应的元件发光。为进行数字显示，每个数字需要７行５列的矩阵，共需35个元件。除数字之外，还可显示英文字符、罗马字符、日文假名等，其视认性也很好。第12页/共30页LED的应用平面显示器

LED还可以用于平面显示，其优点是，由于LED为固体元件，可靠性高，与采用白炽灯的显示器相比，功耗小；可以制作对于CRT及LCD来说不容易做出的大型显示器等。LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩陈型等几大类。第13页/共30页LED的应用

目前，用于室内、外显示，采用LED点矩阵型模块的大型显示器正在迅速推广普及。由于采用LED点矩阵型模块结构，显示板的大小可由LED发光点密集排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红到绿的任意单色、多色，甚至全色。灰度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与专用IC相组合，也可由电视信号驱动，进行电视画面显示。第14页/共30页LED的应用光源

LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。如电视机、空调等的遥控器的光源。在光电检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。当然在这两个领域中的应用有一定限制，如由于LED相干长度短，不适合做为大量程干涉仪的光源；在目前的数字光纤通信系统中，由于光纤存在色散特性，LED的宽光谱将导致脉冲的展宽，限制系统的通信容量，LED只适合于低速率、短距离光纤通信系统。第15页/共30页半导体激光器（LD）半导体激光器，也称激光二极管（LaserDiode，LD），是一种光学振荡器。产生激光要满足以下条件：一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里——帕罗谐振腔。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。第16页/共30页LD的谐振腔有源区注入电流解理面解理面Z＝0Z＝LR1R2增益介质L第17页/共30页LD的阈值条件光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：式中R1，R2为谐振腔两个反射面的反射率，g为增益系数，L为谐振腔长，α为损耗系数。总增益内部损耗端面损耗+总损耗第18页/共30页LD的主要特性

半导体激光器是半导体二极管，它具有半导体二极管的一般特性，还具有激光器所具有的光频特性。1、伏安特性

半导体激光的伏安特性与一般半导体二极管相同，具有单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。由于工作时加正向偏压，所以其结电阻很小。其正向电阻值主要由材料的体积电阻和引线的接触电阻来决定。这些电阻虽然很小，但由于工作电流很大，其作用不能忽略。

正向电压/V正向电流（mA）1232004008000第19页/共30页LD的主要特性2.量子效率与阈值电流

在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合，一种叫无辐射复合。前者发出光子，后者不发出光子，而是将多余的能量以热的形式散失掉。因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率ηi表示辐射复合所占的比例。

由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少，因而又定义了外量子效率ηex.第20页/共30页LD的主要特性3.方向特性普通气体激光器和固体激光器方向性很好，光束的发散角只有(球面度)。而半导体激光器的方向性要差得多。第21页/共30页LD的主要特性

在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。

第22页/共30页LD的主要特性4.光谱特性

由于半导体的导带，价带都有一定的宽度，所以复合发光的光子有较宽的能量范围，因而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和气体激光器要宽。半导体激光器的光谱随激励电流而变化，当激励电流低于阈值电流时，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几微米。如图(a)所示。当电流增大到阈值时，发出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加。这表明出现了激光。其光谱为分布如图(b)所示。由此可见知光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。

第23页/共30页LD的主要特性

半导体激光器发射的光谱随温度而变化，GaAs激光器在77K下，其光谱宽度为百分之几微米，室温下宽度为千分之几微米，目前分布反馈型激光器的谱宽只有10-4μm左右。另一方面，温度升高时，激光峰值向长波方向移动，这是由于禁带宽度随温度升高而变小，因而发射光子的频率变小的原故（Eg=hv）。右图表示激光峰值位置随温度变化的情况，纵坐标分别是禁带宽度的能量值和对应的波长值。

第24页/共30页LD的应用光纤通信系统的光源光学测量系统的光源其他应用第25页/共30页LD与LED的比较

半导体发光二极管（LED）与半导体激光二极管（LD）在结构上的根本区别就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。第26页/共30页LD的优点1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.03~0.04μm。3）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在40°～20°范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。4)LD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。第27页/共30页LD的缺点1)温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。2）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。3）