光电信息技术 课件：第2章 电光信息转换（2_1光电二极管）

1、1,第2章 电光信息转换,第2章 电光信息转换 将电信号转换为光信号的器件称为光电转换器件 。 本章主要介绍发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、阴极射线管及等离子显示板。,2,第2章 电光信息转换,第2章 电光信息转换 2.1 发光二极管 2.2 半导体激光器 2.3 液晶显示器 2.4 阴极射线管 2.5 等离子显示,3,2.1 发光二极管,2.1 发光二极管 2.1.1 半导体光源的物理基础 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动 2.1.3 LED的特性 2.1.4 LED的特点及应用,4,2.1 发光二极管,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

2、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。,5,（1）受激吸收,（2）自发辐射,（3）受激辐射,6,2.1 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 2.1.1-1,式中， ，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。,7,2.1 发光二极管,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

3、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）。,8,2.1 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。,(a) 本征半导体 (b) N型半导体 (c) P型半导体 图2.1.1-2半导体的能带和电子分布,9,2.1 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 2.1.1-2,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。,10,2.1 发光二极管,在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体 。 在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体 。 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存

4、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，如图2.1.1-3 所示。,11,2.1 发光二极管,图2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动,12,2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动,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（light emitting diode，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。 图2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图,13,二、基本结构 1、面发光二极管 图2.1.2

5、-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,14,2、 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,15,三、驱动电路 图2.1.2-4 LED驱动电路,2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动,16,2.1.3 LED的特性,2.1.3 LED的特性 一、光谱特性 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。 图2.1.3-1 LED光谱 图2.1.3-2 LED 的P-I曲线,17,二、 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

6、 ，半功率点辐射角 。边发光型LED， ， 。,2.1.3 LED的特性,三、 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。,18,2.1.4 LED的特点及应用,2.1.4 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。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED，GaAaP材料的

7、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,19,2.1.4 LED的特点及应用,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。 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。,20,二、 应用 1、 指示灯 2 、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2.1.4-1点矩阵型数字显示 图2.1.4-2