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1、发光二极管与第1页，共29页，编辑于2022年，星期五发光二极管（发光二极管（LED）工作原理工作原理v 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结中电结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发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。振腔，发射的是非相干光。第2页，共29页，编辑于2022年，星期五发光二极管（发光二极管（LED）工作原理工作原理第3页，共29页，编辑于2022年，星期
2、五1、发光二极管的伏安特性曲线、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，最电学方面的，也有光学方面的，最基本的是发光二极管的电流基本的是发光二极管的电流-电压特电压特性。曲线形状和普通半导体二极管差性。曲线形状和普通半导体二极管差不多，电压值很低时，几乎没有电流；不多，电压值很低时，几乎没有电流；在正向特性一边，电压超过在正向特性一边，电压超过1V或或1.5V左右时，电流迅速上升，显示出欧姆导通左右时，电流迅速上升，显示出欧姆导通特性，这个电压值称为开启点。开启点电特性，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。压
3、的大小决定于半导体材料。第4页，共29页，编辑于2022年，星期五2、光通密度与电流密度的关系、光通密度与电流密度的关系 v 总的说来，光通密度随着总的说来，光通密度随着电流密度的增加而成正比例增电流密度的增加而成正比例增加，但不容易出现饱和，镓铝加，但不容易出现饱和，镓铝砷和镓砷磷发光二极管就是呈砷和镓砷磷发光二极管就是呈现这样的特性。对于一些掺杂现这样的特性。对于一些掺杂不是很高的材料，当载流子达不是很高的材料，当载流子达到一定数值后，光通密度达到到一定数值后，光通密度达到饱和，再增加电流注入时，光饱和，再增加电流注入时，光通密度增加很少，甚至不再增通密度增加很少，甚至不再增加。加。电流密
4、度/（mAcm-2）光通密度（lmcm-2）110102103110102103010-1磷化镓、绿色磷化镓、绿色磷化镓、红色磷化镓、红色镓砷磷镓砷磷镓铝砷镓铝砷第5页，共29页，编辑于2022年，星期五3、出光效率、出光效率v出光效率出光效率 是指是指P-N结辐射复合产生的光子射到外部的百结辐射复合产生的光子射到外部的百分数。分数。换句话说，是表示器件内部的光如何有效换句话说，是表示器件内部的光如何有效地发射出来的参数。地发射出来的参数。影响因素：影响因素：v半导体本身对光的吸收；半导体本身对光的吸收；v材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的全材料表面的反射（晶体和空气折射率所决定的全反射
5、）。反射）。第6页，共29页，编辑于2022年，星期五说明及解决措施说明及解决措施v 由于所用半导体材料的折射比空气的折射率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，就已经形成了大得多，因此，出射角度不大时，就已经形成了全内反射，使得结平面产生的光透射不出来。即全内反射，使得结平面产生的光透射不出来。即使出射角度很小时，也会有一大部分光被反射回使出射角度很小时，也会有一大部分光被反射回去。光线在空气界面折射时，按照菲涅尔射定律，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。有部分能量反射回去。v 为了提高光的透射率，人们想了很多措施，如用为了提高光的
6、透射率，人们想了很多措施，如用高折射率、低熔点的透明玻璃对管芯进行拱形或半高折射率、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，几乎是垂直地入射到球形封装。光在封装材料内，几乎是垂直地入射到空气界面，所以不会产生全内反射，这样出光效率空气界面，所以不会产生全内反射，这样出光效率可以提高可以提高47倍。倍。第7页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的特点及应用的特点及应用v一、特点一、特点v1.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，发散角大。角大。v2.LED的发光颜色非常丰富的发光颜色非常丰富，通过选用不同，通过选用不同的材料，可以实现各种发光
7、颜色。而且通过的材料，可以实现各种发光颜色。而且通过红、绿、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。第8页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的特点及应用的特点及应用v、LED的辉度高。的辉度高。随着各种颜色随着各种颜色LED辉度的迅速提辉度的迅速提高，即使在日光下，由高，即使在日光下，由LED发出的光也能视认。正是发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通基于这一优势，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。行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。v4、LED单元体积小。单元体积小。在其他显示器件不能使用的在
8、其他显示器件不能使用的极小范围内也可使用，再回上低电压、低电流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、家用电器的指驱动的特点，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。示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。第9页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的特点及应用的特点及应用v、寿命长，基本上不需要维修。可作、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，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。第10页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的应用的应用v指示灯指示灯v 在在LED的
9、应用中，首先应举出的是的应用中，首先应举出的是各种类型的指示灯、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，为普通白炽灯的数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍倍以上，而且具有功耗小、发光响应速度以上，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，在快、亮度高、小型、耐振动等特点，在各种应用中占有明显的优势各种应用中占有明显的优势.第11页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的应用的应用v数字显示用显示器数字显示用显示器v 利用利用LED进行数字显示，进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方
10、有点矩阵型和字段型两种方式。式。点矩阵型点矩阵型如图示，使如图示，使LED发光元件纵横按矩阵排列，按需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要显示的数字只让相应的元件发光。为进行数字显示，每个数字光。为进行数字显示，每个数字需要行列的矩阵，共需需要行列的矩阵，共需3535个个元件。除数字之外，还可显示英元件。除数字之外，还可显示英文字符、罗马字符、日文假名等，文字符、罗马字符、日文假名等，其视认性也很好。其视认性也很好。第12页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的应用的应用v平面显示器平面显示器v LED还可以用于平面显示，其优点还可以用于平面显示，其优点是，由于是，
11、由于LED为固体元件，可靠性高，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；可以制作对于可以制作对于CRT及及LCD来说不容易做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、混合型及点矩陈型等几大分为单片型、混合型及点矩陈型等几大类。类。第13页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的应用的应用v 目前，用于室内、外显示，采用目前，用于室内、外显示，采用LED点矩阵型模块点矩阵型模块的大型显示器正在迅速推的大型显示器正在迅速推广普及。由于采用广普及。由于采用LED点矩阵型模块结点矩阵型模块结构，显示板
12、的大小可由构，显示板的大小可由LED发光点密集发光点密集排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红排列成任意尺寸；发光颜色可以是从红到绿的任意单色、多色，甚至全色。灰到绿的任意单色、多色，甚至全色。灰度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与度可以从十数阶到几十阶分阶调节。与专用专用IC相组合，也可由电视信号驱动，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。第14页，共29页，编辑于2022年，星期五LED的应用的应用v光源光源v LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统除用做显示器件外，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。在光电的光源。如电视机、空调等的遥
13、控器的光源。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。检测系统及光通信系统中，也可作为发射光源来使用。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，不适合做为大量程干涉仪的光源；在目相干长度短，不适合做为大量程干涉仪的光源；在目前的数字光纤通信系统中，由于光纤存在色散特性，前的数字光纤通信系统中，由于光纤存在色散特性，LED的宽光谱将导致脉冲的展宽，限制系统的通信的宽光谱将导致脉冲的展宽，限制系统的通信容量，容量，LED只适合于低速率、短距离光纤通信系统。只适合于低速率、短距离光纤通信系统。第15页，共29页，编辑于2022年
14、，星期五半导体激光器（半导体激光器（LD）v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。v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；一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成二、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，最简单的是法布激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里里帕罗谐振腔。帕罗谐振腔。三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是三、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。第16页，共29页，编辑于2022年，星期五L
15、D的谐振腔的谐振腔有源区有源区注入电流注入电流解理面解理面解理面解理面Z0ZLR1R2增益介质增益介质L第17页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的阈值条件的阈值条件v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：v式中式中R1，R2为谐振腔两个反射面的反射率，为谐振腔两个反射面的反射率，g为增益系数，为增益系数，L为谐振腔长，为谐振腔长，为损耗系数。为损耗系数。总增益总增益内部损耗内部损耗端面损耗端面损耗+总损耗总损耗第18页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的主要特性的主要特性v 半导体激光器是半导体二极管，它具有半导体二极管半导体激光器是半导体二极管
16、，它具有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的一般特性，还具有激光器所具有的光频特性。v1、伏安特性、伏安特性v 半导体激光的伏安特性与一般半导体二半导体激光的伏安特性与一般半导体二极管相同，具有单向导电性。其伏安特性曲极管相同，具有单向导电性。其伏安特性曲线如图所示。由于工作时加正向偏压，所以线如图所示。由于工作时加正向偏压，所以其结电阻很小。其正向电阻值主要由材料的其结电阻很小。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，但由于工作电流很大，其作用阻虽然很小，但由于工作电流很大，其作用不能忽略。不能忽略。正
17、向电压/V正向电流（mA）1232004008000第19页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的主要特性的主要特性v2.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。一种叫在复合区内，有两种复合。一种叫辐射复合辐射复合，一种叫，一种叫无辐射复合无辐射复合。前者发出光子，后者。前者发出光子，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。通常用内量子效率光是有效的。通常用内量子效率i i表示辐射复合所占的比例。表示辐射复合所占的比例。由于各种损耗的存在，激光器
18、输出的光子数会减少，因而又定义了外量子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效率 ex.ex.第20页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的主要特性的主要特性v3.方向特性方向特性 普通气体激光器和固体激光器方向普通气体激光器和固体激光器方向性很好，光束的发散角只有性很好，光束的发散角只有 (球球面度面度)。而半导体激光器的方向性要。而半导体激光器的方向性要差得多。差得多。第21页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的主要特性的主要特性v 在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模
19、光纤芯径小，好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。数值孔径小，此项指标更为重要。第22页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的主要特性的主要特性v4.光谱特性光谱特性 由于半导体的导带，价带都有一定的宽由于半导体的导带，价带都有一定的宽度，所以复合发光的光子有较宽的能量范度，所以复合发光的光子有较宽的能量范围，因而产导体激光器的发射光谱比固体围，因而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和气体激光器要宽。激光器和气体激光器要宽。半导体激光器的光谱随激励电流而变化，半导体激光器的光谱随激励电流而变化，当激励电流低于阈值电流时，发出的光是荧当激励电流低于阈值电
20、流时，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几微米。如图微米。如图(a)所示。当电流增大到阈值时，发所示。当电流增大到阈值时，发出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加。这出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加。这表明出现了表明出现了激光。其光谱为分布如图激光。其光谱为分布如图(b)所示。由此可见所示。由此可见知光谱变窄，单知光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。量来确定阈值电流。第23页，共29页，编辑于2022年，星期
21、五LD的主要特性的主要特性v 半导体激光器发射的光谱随半导体激光器发射的光谱随温度而变化，温度而变化，GaAs激光器在激光器在77K下，下，其光谱宽度为百分之几微米，室温下其光谱宽度为百分之几微米，室温下宽度为千分之几微米，目前分布反馈宽度为千分之几微米，目前分布反馈型激光器的谱宽只有型激光器的谱宽只有10-4 m左右。左右。另一方面，温度升高时，激光峰值另一方面，温度升高时，激光峰值向长波方向移动，这是由于禁带宽向长波方向移动，这是由于禁带宽度随温度升高而变小，因而发射光度随温度升高而变小，因而发射光子的频率变小的原故（子的频率变小的原故（Eg=hv）。）。右图表示激光峰值位置随温度变化右图
22、表示激光峰值位置随温度变化的情况，纵坐标分别是禁带宽度的的情况，纵坐标分别是禁带宽度的能量值和对应的波长值。能量值和对应的波长值。第24页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的应用的应用v光纤通信系统的光源光纤通信系统的光源v光学测量系统的光源光学测量系统的光源v其他应用其他应用第25页，共29页，编辑于2022年，星期五LD与LED的比较 v 半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）与半导体）与半导体激光二极管（激光二极管（LD）在结构上的）在结构上的根本区别根本区别就是它没有光学谐振腔，形不成激光。就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧它的发光限于自发
23、辐射。它发出的是荧光，而不是激光。光，而不是激光。第26页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的优点1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。的响应速度较快，可用于较高的调制速率。2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而小，可用于大容量通信。而LED中由于没有选择波长的谐振腔，所以中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.030.04m。3）由于）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较辐射光束的发散
24、角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而高，传播距离较远，而LED的发散角一般在的发散角一般在4020范围内，耦范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。左右。4)LD的输出光强及效率较高，的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。的输出光强及效率较低。第27页，共29页，编辑于2022年，星期五LD的缺点v1)温度特性较差。温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故其输，故其输出功率也依赖于出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。v2）
25、易损坏，寿命短。）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。v3）半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较便宜。）半导体激光
26、器价格昂贵，发光二极管比较便宜。v4）半导体激光器的）半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围大，调制时曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。的动态范围相对较小。第28页，共29页，编辑于2022年，星期五选择选择v 由于半导体激光器的上述特点。一般由于半导体激光器的上述特点。一般在不需要特别大的发光功率及远距离传在不需要特别大的发光功率及远距离传输等特殊场合，常使用半导体发光二极输等特殊场合，常使用半导体发光二极管，一般的光电传感器如光栅传感器，管，一般的光电传感器如光栅传感器，光纤传感器等，大多使用发光二极管，光纤传感器等，大多使用发光二极管，而在大容量、远距离光纤通信中宜使用而在大容量、远距离光纤通信中宜使用半导体激光器。半导体激光器。第29页，共29页，编辑于2022年，星期五