第3章光源光电器件32节教学案例

第3章光源光电器件

◆光源一切能产生光辐射的辐射源。

①自然光源由自然过程产生的辐射源，如各种天体、大气等。②人工光源人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的辐射源。●电光源利用电能产生光辐射的器件。◆光辐射热辐射——物体温度高于绝对零度而产生的物体辐射。激发辐射——物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。3.2.1发光二极管的基本工作原理与特性1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。◆发光二极管作为光源的优点：

①体积小，重量轻，便于集成；

②工作电压低，耗电小，驱动简便，容易用计算机控制；

③有单色性好的单色及发白光的发光二极管；

④发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。

3.2发光二极管1.发光二极管的发光机理按机理常分为PN结注入发光异质结注入发光⑴PN结注入发光

图3-9注入发光的能带结构2.基本结构⑴面发光二极管

图3-11所示为波长0.8～0.9μm的双异质结GaAs/AIGaAs面发光型LED的结构。

有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120°。图3-11面发光型LED结构⑵边发光二极管为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出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°。

图3-12波长1.3μm的双异质结InGaAsP／InP边发光型LED的结构3.LED的特性参数

⑴发光光谱

LED的发光光谱--指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。

描述光谱分布的主要参量

（1）峰值波长（2）发光强度的半宽度。

发光光谱直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。峰值波长由材料的禁带宽度决定。峰值波长相对应的光子能量比禁带宽度所对应的光子能量小些。例如：GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.2~0.3nm/℃的比例向长波方向移动。图3-13GaAs0.6P0.4和GaP的发射光谱

⑵发光效率发光效率---发光二极管发射的光通量与输入电能之比，单位lm/W；或为光强度与注入电流之比，单位为cd／A（坎/安）。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（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命τ

r和τ

nr，其中辐射复合率与1/τr成正比，无辐射复合率为1/τnr，内部量子效率为（3-4）式中，neo为每秒发射出的光子数，ni为每秒注入到器件的电子数，τr是辐射复合的载流子寿命，τnr是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有τnr＞＞τr，才能获得有效的光子发射。注意：辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。

外部量子效率ηex---单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin定义为外部量子效率ηex，即（3-5）

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。⑶发光亮度与电流的关系发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为（3-6）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。

图3-14发光亮度与电流密度的关系曲线(4)温度特性发光二极管的外部发光效率均随温度的上升而下降。图3-15发光二极管的相对光亮度与温度的关系曲线

⑸

最大工作电流在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。若发光二极管的最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流为图3-15GaP的ηin与电流密度J及温度T间的关系曲线（3-7）

式中，rd为发光二极管的动态内阻；If、Uf均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。⑹伏安特性正向电流与电压的关系为

i＝Ioexp(U/mkT)（3-8）式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中图3-16发光二极管的伏安特性曲线当电流i<0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m＝2。电流增大后，扩散电流占优势时，m＝1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。反向击穿电压一般在-5V以上，有些已超过-200V。⑺寿命

寿命---亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。

在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。老化---随着工作时间的加长，亮度下降的现象。老化的快慢与工作电流密度有关。⑻响应时间响应时间---在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。发光二极管的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。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。发光二极管的时间响应快，短于1μs，比人眼的时间响应要快得多，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。

(9)光强发布

不同型号的LED发出的光在半球空间内具有不同的光强分布规律。图3-17LED的外形与发光强度的空间分布机械轴与光轴往往并不重叠而在空间上具有夹角Δθ，LED的发光强度是光轴为基准关于角度θ的函数Iv=f(θ)发光强度衰减到一半时所对应的角度称为LED的半发光强度角（或半角），用θ1/2表示。不同的应用对分布函数的要求不同，希望远距离传输光能量的应用要求半角宽度尽量小，以免能量在传输过程中损失过大。而要求获得均匀面光源的情况下又要求其“半角”尽量增大。4.驱动电路发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。

图3-18LED驱动电路3.2.2发光二极管的应用

1.数字、文字及图像显示7段数字显示器是已在台式及袖珍型半导体电子计算器、数字钟表和数字化仪器的数字显示上得到广泛的应用。图3-197段数码管图3-2016段数码管2.指示、照明

单个发光二极管还可作为仪器指示灯、示波器标尺、道路交通指挥显示器、收音机刻度及钟表的文字照明灯应用到各个领域。

此外，LED可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合和器件等。3.光源

红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器，LED以及LED组合器件可以作为光电尺寸测量系统、振动测量系统及其他检测系统的信号光源。目前，LED多功能照明光源的出现，使许多检测系统的难度降低。LED点阵模块

显示单元（Displayunit）由电路及安装结构确定的并具有显示功能的器件组成LED显示屏的最小单元。LED点阵规模分类⑴按照颜色的不同分为单基色、双基色和三基色三类，可显示红、黄、绿、蓝、橙等颜色。

⑵按照点阵规模大小可分为4×4、4×8、5×7、5×8、

8×8、16×16、24×24、32×32、40×40等。⑶按照像素的直径大小可分为φ3、φ3.75、φ5、φ10、

φ20等。驱动电路的驱动方式⑴串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点(列)驱动电路。串行控制驱动方式可选用的芯片有MC4094、74LS595、74HC595、6B595、9094等等。其中MC4094、74HC595均为CMOS芯片,应与功率芯片结合使用。⑵并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行(8位)方式送入点(列)驱动电路。每送入一个字节就完成了一个模块的一个行的数据置入,其优点是数据的刷新速度块,这就减轻了上一级控制系统的压力。LED点阵模块的驱动方式

动态扫描型驱动

静态锁存型驱动动态扫描型驱动方式是指显示屏上的4行、8行、16行等n行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行LED的点亮时间占总时间的1/n，只要每行的刷新速率大于50Hz，利用人眼的视觉暂留效应，人们就可以看到一幅完整的文字或画面。

图2串行移位工作时序图图1显示驱动电路

表3-374HC595各引脚详细说