半导体激光器和发光器件介绍

发光二极管的工作原理
发光二极管是少数载流子在PN结区 的注入与复合而产生发光的一种半导体 光源，也称作注入式场致发光光源
光输出
N-AIyGa1yAs P- GaAs
P-AIxGa1xAs
光纤 导光层 圆形蚀刻孔
衬底
金属化层 (用于电接触)
限制层
SiO2 绝 缘 层金属化层 热沉
条形接触 (确定有源区)
激光器的工作原理 自由辐射、受激吸收和受激辐射
产生激光 必要条件
1. 实现粒子数反转 ２.使工作物质被激发 ３.要实现光放大
——工作物质 ——激励能源
——光学谐振腔
一、气体激光器
He-Ne气体激光器
He -Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质， He与Ne之比为5∶1 10∶1。
Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条: 0．6328ｍ、1．15 m、3．39 ｍ
i / mA
120
100 80
60
40
20
0
1.0
1.5
2.0
2.5
u /V
阈值特性与材料有关： GaAs是1.0V；GaAsP、 GaAlAs约为1.5V；发红光的 GaP是1.8V，发绿光的GaP 是2.0V，反向击穿电压一般 在-5V以上。
LED信号控制电路
Rb1
LED
+5V
Vin
Rb2
Re
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
600 700 800 900
1000
λ/nm
发光二极管的光谱特性
发光二极管LED的频率响应
10
e£½1.1 ns
Æ µÂÊÏìÓ¦ H( f )
e£½2.1 ns
£½6.4
0.1
e
ns
10
100
1000
µ÷ÖÆ Æ µÂÊf / MHz
4 3 2 10 / mW
发光二极管LED的P-I特性曲线
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发出的光也能辨认。正是基于这一优 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
二、 应用1、 指Fra bibliotek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。
点矩阵型数字显示 字段型数字显示
树脂 LED芯片
反射 框
引线框 架
▪ 3、平面显示器
▪ LED平面显示器可分为单片型、混合型及点 矩阵型等几大类。
▪ 4、光源
▪ LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、 系统的光源。例如HBLED。
激光器
梅曼和第一只激光器
激光器的种类：
1、按工作 物质分类
固体 （如红宝石Al2O3） 液体 （如某些染料） 气体 （如He-Ne、CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 自由电子激光器
2、按工作 方式分类
连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ）
定义： 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射。
低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光 源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯 的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧 光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线 转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某 一范围的波长，如照明日光灯。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
二、固体激光器
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GaAsP材料的 红色LED，GaAsP材料的橙色、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。
接合材料 金属化层 有源区
衬底
金属化层 (用于电接触)
SiO2 绝 缘 层
双 异 质 结SiO2绝缘层
层
双异质结
热沉
有源区 圆形金属触点
发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED
球透镜 环氧树脂
P层 有源层 n层 发光区
微透镜
P型限制层
有源层 波导层 n型限制层
图 3.14两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型； (b) 侧面发光型
半导体激光器和发光器件介绍
发光器件
1. 白炽光源
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般 白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所 以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。
特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性 差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是 可取之处。
2. 气体放电光源
LED的光谱特性
LED的发光谱决定 其发光颜色，目前 可实现各类颜色。 LED具有正的温度 系数，温度升高时， 发射波长红移，约 为：0.2-0.3nm/
度
相 1.0
对 0.8
灵 0.6
敏 度
0.4
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
GaAsP λp=655nm