光电技术 第5版 课件 第6章6.1节 LED的基本工作原理与特性

第6章发光器件与光电耦合器件6.1LED的基本工作原理本章将着重介绍目前占据光源市场分量最大的LED发光二极管及其光电耦合器。1907年首次发现半导体二极管在正向偏置情况下会发光。70年代末，开始用LED作为数码显示器和简单图像的显示器。近20年来，由于LED的发光效率、发光光谱与半导体制造工艺的进步，尤其是发蓝光的LED与银光材料研制成功，使LED制造成本急剧下降，应用市场急剧升温，成为21世纪科技发展的亮点。LED的突出优点为：6.1.1LED的发光机理（1）电光转换效率高（高于90%）、响应速度快；（2）体积小，重量轻，便于集成；（3）工作电压低，耗电少，驱动简便，容易用硬件电路与计算机控制；（4）既能制成单色性好的各种单色LED管，又能制成发白光的LED管；（5）发光亮度高，亮度易于控制与调节，被广泛应用于数字仪表的显示器、大屏幕图像显示器和在光电检测领域的特种光源使用。1.发光机理LED是一种注入型电致发光器件，它由半导体PN结构成。（1）PN结注入发光如图6-1所示，正偏压使PN结区中的大量非平衡载流子不断地进行相对扩散，因电子迁移率μn比空穴迁移率μp高20多倍，电子很快迁移到P区与空穴复合而发光。（2）异质结注入发光图6-2（a）表示理想的异质结能带图，（b）为发光机理。2.基本结构图6-3所示为0.8～0.9μm的双异质结GaAs／AIGaAs面发光型LED结构。它有圆形发光平面，直径约50μm，厚度小于2.5μm。光纤穿过衬底小圆孔与发光区平面垂直接入，用粘合材料加固，光从尾纤输出。发光束的水平、垂直发散角均为120°。（1）面发光LED（2）边发光LED图6-4所示为波长1.3μm的双异质结InGaAsP／InP边发光型LED的结构。核心部分是N型AIGaAs有源层，及两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层。导光层的折射率比有源层低，比周围材料的折射率高。为和纤芯尺寸相配合，光的端面宽度通常为50～70μm，长度为100～150μm。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25°～35°，垂直方向为120°。

6.1.2LED的特性参数LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线称为其发光光谱。它由材料的种类、性质以及发光中心结构决定，与器件的几何形状、外部结构和封装方式无关。（1）

发光光谱和发光效率描述光谱分布的主要参量是峰值波长和发光光谱的半宽度。图6-5为GaAs0.6Po.4

和GaP的发射光谱。峰值波长在620～680nm之间，半宽度为20～30nm。GaP峰值波长为700nm，半宽度为100nm。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。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，复合率又分别取决于载流子寿命τr和τrn，1/τr为辐射复合率，1/τrn为无辐射复合率，内部量子效率为辐射复合发出的光子并不能全部离开晶体向外发射，要考虑半导体的吸收，界面全反射，只有一部分能发射出去。发射到外部的光子数nex与单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin之比定义为外部量子效率ηex，即只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子发射。表6-1为典型LED发光效率与发出可见光发光谱的波长。名称发光波长(μm）外部量子效率%可见光发光效率(lm/W)禁带宽度Eg(eV)数变值平均值GaAs0.6P0.4

红光Ga0.65Al0.35As

红光GaP:EnO

红光GaP:N

绿光GaP:NN

黄光GaP纯绿光GaAs0.35P0.65:N红光GaAs0.15P0.85:N黄光GaAs红外In0.32Ga0.68P[Te,Zn]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.9

0.50.5120.70.10.660.50.2

0.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.05

0.10.380.272.44.20.450.40.950.90

1.91.91.772.192.12.051.962.11.35

表6-1几种典型LED发光效率与发光波长对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。ηex很小，如CaP[Zn-O]红光发射效率ηev很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的ηev约为0.7％；对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％。提高外部量子效率的措施有三条：①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；②把晶体表面加工成半球形；③用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。LED外部发光效率均与温度有关。图6-6为GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种LED相对光亮度Le,λ,r与温度t的关系曲线。（2）时间响应特性与温度特性LED时间响应快，短于1μs，比人眼要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。LED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。（3）发光亮度与电流的关系LED发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间有如下关系：式中，τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射复合寿命τNR的函数。如图6-7所示为GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaPLED发光亮度与电流密度的关系曲线。在很大范围内不易饱和，使得LED可作为亮度可调的光源，在亮度调整过程中发光光谱保持不变。它更适合脉冲电流驱动，脉冲状态它的工作时间短，发热低，可获得更高的亮度。（4）最大工作电流较小电流下，LED发光效率随电流的增加增加，电流增加到一定值，发光效率不再增加；发光效率还会随电流增大反而降低。图6-8为发红光GaP的内量子效率ηin相对值与电流密度J及温度T的关系。随着LED电流密度增加，pn结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。若LED的最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流为式中，rd为LED动态内阻；If、Uf为较小电流时的电流和压降。LED伏安特性如图6-9所示。LED正向电压小于开启点的电压值时基本没有正向电流流过，电压超过开启电压，LED就会发光，电流将随电压的增大而增长。（5）伏安特性（6）寿命LED寿命定义为亮度降低到原亮度一半时所经历的时间。LED的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可大于等于109h。随着工作时间的增长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度加大，老化变快，寿命变短。（7）响应时间器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，指器件启亮与熄灭时间的延迟。实验证明，LED上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。脉冲电流驱动时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所允许的范围内。（8）光强分布不同型号LED发光的空间分布规律不同。图6-10所示的光强分布曲线形式说明LED普遍光强分布规律。图6-10（a）为LED外形图，在xyz直角坐标系中，z为LED机械轴的方向。发光主光线与器件机械轴之间存在着夹角θ。θ定义为LED的“机械角”。它是个空间角。LED发光强度Iv是θ的函数。Iv=f（θ）由于LED封装工艺带来的机械角θ，使LED发出光强度最强的方向（称为主光线）与机械轴线不重合，有时也称其为偏差角，并在如图6-10（b）中标注为偏差角△θ，称其为偏差角或偏向角。描述LED发光空间特性的另一个主要参数是半发光强度角，常用θ1/2表示，它以主光线为中心是LED发光空间范围的描述（如图中标注）。为获得更宽更均匀的面光源，总是希望LED的θ1/2更大；而要使LED能够在更远的地方获得更强的照度，则希望θ1/2尽量小些，使光的能量在传播过程中损耗更小。手册中也常将半发光强度角称为视角。6.1.3驱动电路LED工作需要在正向偏置电流的作用下才能发光，提供给LED正向电流的电路称为驱动电路。驱动电路有多种，根据具体的应用，LED驱动电路可以分为直流驱动、脉冲驱动与交流驱动三种方式。（1）直流驱动直流驱动电路如图6-11所示，由限流电阻与电源构成，调整限流电阻的阻值既可以调整流过LED电流，调整发光亮度。式中Ubb为电源电压，UD为正向电压，它与LED性质有关，蓝光LED接近3.7V，红光LED在0.9V左右。（2）交流驱动如图6-12所示为三极管构成的交流驱动电路，LED串接入集电极，通过调节基极偏置电压，可调整辐射光功率。在光通信中常用LED为信息光源，通过光纤传输音、视频信号。图6-12LED三极管驱动电路调整Rb2使三极管处于适当的静态工作点，确保输入的音、视频信号不失真地通过光纤传输。（3）集成驱动电路图6-13为一款单节电池供电的低压集成LED驱动电路IV0104的外形图。图6-14为其原理图，输入电压Vin直接接到Vbat端，通过8.2μH电感L接到LX端进行滤波，逻辑地PGND与电源地Vss共同接地形成输入电路。输出经电容C滤波后再经过电阻R1与R2分压，将所得部分电压作为基准电压，以输出稳定的电流。输出电压Vout由下式决定当反馈参考电压VFB的值为0.8V时，若希望输出5V电压，选用R2=10kΩ，则可以计算出R1=52kΩ。表6-2所示为IV0104的输出电流与输出电容C、电感L的关系，输出电流越大需要选配的电容量也越大。输入电压（V）输入电流（mA）输出电压（V）输出电流（mA）输入电感（μH）输出电容（μF）1.25753.210120.0221.25160.713.22056.0471.25230.773.23039.0471.25272.733.24033.01001.25409.093.26022.01001.255003.27018.02201.256003.