第2章 电光信息转换(2.1光电二极管)

§2.1.4 LED的特点及应用
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§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。
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。
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§2.1 发光二极管
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内建电场
P
空间电荷区
N
空穴
扩散 漂移
电子
图2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动
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玻耳兹曼统计分布
N2 E exp E2 E1
N1
kT
2.1.1-1
式中，k 1.3811023 J/ K ，为玻耳兹
曼常数，T为热力学温度。
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§2.1 发光二极管
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在热平衡状态下，总是有 N1 N2。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
光输出
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
P-AIxGa1-xAs
图2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图
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§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
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二、基本结构 1、面发光二极管
光纤 圆形蚀刻孔
接合材料 金属化层
衬底
限制层
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。
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有源区
金属化层 (用于电接触)
SiO2绝缘层 双异质结
热沉
图2.1.2-3边发光型LED的结构示意图
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§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
三、驱动电路
Rb1
LED
15 +5V
Vin
Rb2
Re
图2.1.2-4 LED驱动电路
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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。
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统的光源。
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图2.1.3-1 LED光谱
图2.1.3-2 LED 的P-I曲线
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§2.1.3 LED的特性
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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 P( ) P0 cos ，半功率点辐射
角 120。 边发光型LED， // 120 ， 25 ~ 35。
Ef Eg
Eg/2 Ev
价带
导带
Ec Ef
Eg
Ev 带价
导带 Ec
Ef Ev 价带
(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
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§2.1 发光二极管
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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
P(E)
1
1
exp
E
E kT
f
2.1.1-2
Ef 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。
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§2.1 发光二极管
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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，由于存在多数载流子（电子或空穴）
（1）受激吸收 （2）自发辐射 （3）受激辐射
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E2 hv
E1 E2 hv
E1 E2 hv hv hv
E1
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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
反射 框
引线框 架
图2.1.4-1点矩阵型数字显示
图2.1.4-2 字段型数字显示
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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
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
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§2.1.4 LED的特点及应用
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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。
质称为吸收物质。
如果 N2 N1，即受激辐射速率大于受激 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）。
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§2.1 发光二极管
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半导体是由大量原子有序排列构成的共
价晶体。
能量 Eg
导带
Ec
Eg/2
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§2.1.3 LED的特性
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§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。
相 对
Δλ=70nm
发 射15 光功
面发光
光
率 10
强
P/mW 5
边发光
1300 波长/nm
0 0 200 400 电流I /mA
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§2.1 发光二极管
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§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
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§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
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§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。
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。
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§2.1.4 LED的特点及应用
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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。
树脂 LED芯片
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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。
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第2章 电光信息转换
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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
SiO2绝缘层
金属化层 热沉
SiO2绝缘层
双异质结 层
图2.1.2-2 面发有源光区二圆极形金管属的触点结构示意图
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§2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
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2、 边发光二极管
导光层
衬底 金属化层 (用于电接触)
条形接触 (确定有源区)