发光器件与光电耦合器件概述

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。
2. 时间响应特性与温度特性
响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极 管熄灭的时间。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，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。 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。
发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光效 率，单位lm/W；或光强度与注入电流之比称为发光效 率，单位为cd／A（坎/安）。GaAs红外发光二极管 的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表 示。
发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。
内部量子效率为
in
neo ni
1
1 r
nr
（6-1）
效率降低。
最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LED的最大功耗为
Pmax，则其最大的电流为
Im
ax(IfrdUf)
(Uf Ifrd)24rdP max
2rd
（6-4）
式中，rd为LED的内阻；If、Uf均为它在较小电流时的电流和压降。
5. 伏安特性
正向电流与电压的关系为
i＝ioexp(qU/mkT) (6-5)
对 GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小， 如GaP[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 ％；对发红外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev约为 0.1％。
m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，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。
6. P-I特性
4
输3
出
功 率
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2
1
0℃ 25℃ 70℃
/ mW
0
50 100 150
通常发光二极管的
外部发光效率均随温 度上升而下降。图66 表示GaP（绿色）、 GaP（红色）、 GaAsP三种发光二极
管的相对光亮度Le,λ,r 与温度t的关系曲线。
3. 发光亮度与注入电流的关系
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
L idn eR
(6-3)
τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐 射复合寿命τnr的函数
4. 最大工作电流
工作电流 : 几mA －几十 mA
若工作电流较小，LED发光效率随电流的
增加而明显增加，但电流增大到一定值时，
发光效率不再增加；相反，发光效率随电
流的增大而降低。随着电流密度的增加，
pn结温度升高，将导致热扩散，使发光
6.1.3 LED的特性参数 1. 发光光谱和发光效率
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。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和
发光强度的半宽度。对 于辐射跃迁所发射的光 子，峰值波长由材料的 禁带宽度决定。
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。
电流/mA
7. 寿命
LED的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二
极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达 106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫 老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老 化变快，寿命变短。
第6章 发光器件与光电耦合器件
通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。 发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐 射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者 被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源 常被称为。
光源
热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源
激光器
太阳 白炽灯、卤钨灯
由于n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进
入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。
6.1.2 基本结构(面发光和边发光)
1. 面发光二极管
光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120°。
2. 边发光二极管
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°。
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,τrn是无辐射复合的 载流子寿命。只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子
发射。
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，即
ex
n ex ni
(6-2)
6.1 发光二极管的基本工作原理与特性
6.1.1 发光二极管的发光机理
发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件， 它由 P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为 PN结(同质结)注入发光(发生在p区)与异质结注入发光 (发生在n区)两种。
1. PN结（同质结）注入发光
PN结处于平衡时， 存在一定的势垒区，其 能带如图6-1 所示。当 加正偏压时，PN结区 势垒降低，从扩散区注 入的大量非平衡载流子 不断地复合发光，并主 要发生在p区。
Electron energy
p E
n+
c
p
n+
(a)
E F
eVo E
g
E
c
E F
E g
(b)
E
hu Eg
v
eVo
E
v
Electron in CB
V
Hole in VB
问题：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通 二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发 光二极管能发光吗？
2. 异质结注入发光 禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合 发光的发光区.
黑体辐射器 汞灯 荧光灯 钠灯 氙灯
金属卤化物灯
空心阴极灯
场致发光灯 发光二极管
气体激光器 染料激光器 固体激光器 半导体激光器
温度辐射
发光
光致发光 阴极射线发光 放射线发光 电致发光 注入式电发光
LED (Light emitting diode)
本章主要介绍注入式半导体发光器件(LED、LD)及 光电耦合器件。 重点： LED、LD的发光原理及光电耦合器件的应用