发光二极管(LED)与LD

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， 率大得多，因此，出射角度不大时，就已经形 成了全内反射， 成了全内反射，使得结平面产生的光透射不出 即使出射角度很小时， 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， 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。 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， 为了提高光的透射率，人们想了很多措施， 如用高折射率、 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， 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， 垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反 这样出光效率可以提高4~7倍。 射，这样出光效率可以提高 倍
400
200 正向电压/ V 0 1 2 3
LD的主要特性 的主要特性
2.量子效率与阈值电流 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。 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 辐射复合 无辐射复合 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。 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。 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。 合所占的比例。
LED的特点及应用 的特点及应用
的辉度高。 ３、LED的辉度高。随着各种颜色 的辉度高 随着各种颜色LED辉度的 辉度的 迅速提高，即使在日光下， 迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也 发出的光也 能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、 能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、 广告牌、 广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正 迅速扩大。 迅速扩大。 4、 LED单元体积小。在其他显示器件不能使 、 单元体积小。 单元体积小 用的极小范围内也可使用，，再回上低电压、 ，，再回上低电压 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、 低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用 电器的指示灯、 电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步 扩大。 扩大。
发光二极管（ 发光二极管（LED） ）
发光二极管是一种冷光源，是固态 发光二极管是一种冷光源，是固态P-N 结器件，加正向电流时发光。 结器件，加正向电流时发光。它是直接把 电能转换成光能的器件，没有热转换过程， 电能转换成光能的器件，没有热转换过程， 其发光机制是电致发光， 其发光机制是电致发光，辐射波长在可见 光或红外光区。由于发光面积小， 光或红外光区。由于发光面积小，故可以 视为点光源。 视为点光源。 在光纤系统中作为光源使用的发光二 极管与一般用作显示的发光二极管不同。 极管与一般用作显示的发光二极管不同。
LED的应用 的应用
平面显示器 LED还可以用于平面显示，其优点 还可以用于平面显示， 还可以用于平面显示 由于LED为固体元件，可靠性高， 为固体元件， 是，由于 为固体元件 可靠性高， 与采用白炽灯的显示器相比，功耗小； 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 可以制作对于 及 来说不容易做 出的大型显示器等。 出的大型显示器等。 LED平面显示器可 平面显示器可 分为单片型、 分为单片型、混合型及点矩陈型等几大 类。
发光二极管（ 发光二极管（LED） ） ——工作原理 工作原理
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， 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 最基本的是发光二极管的电流 电 压特性。 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， 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， 几乎没有电流；在正向特性一边， 电压超过1V或 左右时， 电压超过 或1.5V左右时，电流 左右时 迅速上升，显示出欧姆导通特性， 迅速上升，显示出欧姆导通特性， 这个电压值称为开启点。 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。 电压的大小决定于半导体材料。
g = α + (1/ 2 L ) ln (1 R1 R2 )
LD的主要特性 的主要特性
半导体激光器是半导体二极管， 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， 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 。
正向电流 （mA） 800
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 半导体二极管相同， 其伏安特性曲线如图所示。 性。其伏安特性曲线如图所示。由 于工作时加正向偏压， 于工作时加正向偏压，所以其结电 阻很小。 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 这些电阻虽然很小， 作电流很大，其作用不能忽略。 作电流很大，其作用不能忽略。
发光二极管（ 发光二极管（LED） ） ——工作原理 工作原理
发光二极管（ 发光二极管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置 ），是利用正向偏置 ， ）， PN结中电子与空穴的辐射复合发光 PN结中电子与空穴的辐射复合发光 是自发辐射发光， 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， 的注入电流产生粒子数反转分布， 也不需要光学谐振腔， 也不需要光学谐振腔，发射的是非 相干光。 相干光。
LED的应用 的应用
光源 LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、 除用做显示器件外， 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。 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， 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。 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 相干长度短， 限制，如由于 相干长度短 程干涉仪的光源；在目前的数字光纤通信系统中， 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， 由于光纤存在色散特性， LED的宽光谱将导致 的宽光谱将导致 脉冲的展宽，限制系统的通信容量， 脉冲的展宽，限制系统的通信容量， LED只适 只适 合于低速率、短距离光纤通信系统。 合于低速率、短距离光纤通信系统。
激活区每秒产生的光子数 ηi = 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
由于各种损耗的存在，激光器输出的光子数会减少， 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.
η ex
激活区每秒发射的光子数 = 激活区每秒注入的电子 — 空穴对数
LD的谐振腔 的谐振腔
注入电流
解理面
有源区 解理面 L
R1
增益介质
R2
Z＝0 ＝
Z＝L ＝
LD的阈值条件 的阈值条件
光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为： 光在谐振腔内往返一次不衰减的条件为：
gL = α L + (1/ 2 ) ln (1 R1 R2 )
式中R 为谐振腔两个反射面的反射率， 为增益系数 为增益系数， 为谐振腔长 为谐振腔长， 式中 1，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。 为损耗系数。 为损耗系数 端面损 内部损 总损耗 + 总增益 耗 耗
2、光通密度与电流密度的关系 、
光通密度 （lm·cm-2） 103 102 10
磷化镓、 磷化镓、红色 镓铝砷 镓砷磷 磷化镓、 磷化镓、绿色
1 0 10-1
总的说来， 总的说来，光通密度 随着电流密度的增加而成 正比例增加， 正比例增加，但不容易出 现饱和， 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 的特性。 是很高的材料， 是很高的材料，当载流子 达到一定数值后， 达到一定数值后，光通密 度达到饱和， 度达到饱和，再增加电流 注入时， 注入时，光通密度增加很 甚至不再增加。 少，甚至不再增加。
LED的特点及应用 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 辐射光为非相干光，光谱较宽， 辐射光为非相干光 角大。 角大。 2.LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同 的发光颜色非常丰富， 的发光颜色非常丰富 的材料，可以实现各种发光颜色。 的材料，可以实现各种发光颜色。而且通过 蓝三原色的组合，可以实现全色化。 红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
LED的特点及应用 的特点及应用
５、寿命长，基本上不需要维修。可作 寿命长，基本上不需要维修。 为地板、马路、广场地面的信号光源， 为地板、马路、广场地面的信号光源， 是一个新的应用领域。 是一个新的应用领域。
LED的应用 的应用
指示灯 的应用中， 在LED的应用中，首先应举出的是 的应用中 各种类型的指示灯、信号灯， 各种类型的指示灯、信号灯， LED正在 正在 成为指示灯的主要光源。 成为指示灯的主要光源。LED的寿命在 的寿命在 数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍 数十万小时以上，为普通白炽灯的 倍 以上，而且具有功耗小、 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 亮度高、小型、耐振动等特点， 各种应用中占有明显的优势. 各种应用中占有明显的优势
LED的应用 的应用
目前，用于室内、外显示，采用 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 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 广普及。由于采用 点矩阵型模块结 构，显示板的大小可由LED发光点密集 显示板的大小可由 发光点密集 排列成任意尺寸； 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。 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。 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， 相组合， 专用 相组合，也可由电视信号驱动， 进行电视画面显示。 进行电视画面显示。
LED的应用 的应用
数字显示用显示器 利用LED进行数字显示， 利用 进行数字显示， 进行数字显示 有点矩阵型和字段型两种方 点矩阵型如图示 如图示， 式。点矩阵型如图示，使 LED发光元件纵横按矩阵排 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。 相应的元件发光。为进行数 字显示，每个数字需要７ 字显示，每个数字需要７行 列的矩阵，共需35个元件。 35个元件 ５列的矩阵，共需35个元件。 除数字之外，还可显示英文 除数字之外， 字符、罗马字符、 字符、罗马字符、日文假名 其视认性也很好。 等，其视认性也很好。
1
10
Baidu Nhomakorabea
102 103 电流密度/（mA·cm-2）
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 结辐射复合产生的光子射到外部 是指 的百分数。 换句话说， 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。 何有效地发射出来的参数。 影响因素： 影响因素： 半导体本身对光的吸收； 半导体本身对光的吸收； 材料表面的反射（ 材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的 全反射）。 全反射）。
半导体激光器（ ） 半导体激光器（LD）
半导体激光器，也称激光二极管（ 半导体激光器，也称激光二极管（Laser Diode，LD），是一种光学振荡器。 ），是一种光学振荡器 ， ），是一种光学振荡器。 产生激光要满足以下条件： 产生激光要满足以下条件：
一、粒子数反转； 粒子数反转； 要有谐振腔，能起到光反馈作用， 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， 激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布 帕罗谐振腔。 里——帕罗谐振腔。 帕罗谐振腔 产生激光还必须满足阈值条件， 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。 增益要大于总的损耗。