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1、第6章 发光器件与 光电耦合器件主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛2012.1贾湛制作*1光源 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。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冷光源。DateDate2 2由某原因激励到高能级的 粒子，没有外刺激的情况 下，自己跃迁到低能级， 发出光的现象自发辐射自发辐射E1E2 h =E2-E1特征特征频率(波长),相位,偏振,传播方向是随机的t激 励 作 用原子模型DateDate
2、3 3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 黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯 氙灯、金属卤化物灯 氘灯、空心阴极灯场致发光灯 发光二极管气体激光器、固体激光器 染料激光器、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产 生的物体热辐射，称为热辐射 光源。由于物体在特定环 境下受外界能量激 发而产生辐射，为 激发辐射，其光源 被称为冷光源。冷光源按激发 方式分可分为 光致发光、化 学发光、摩擦 发光、阴极射 线致发光、 电致发光等。DateDate4 4太阳是一个理想的黑体热辐射源角度特性和光谱特性与理想黑体 特性相似的辐射源，称为黑体模 拟器。目前的黑体模拟器最高工 作温度为3
3、000KDateDate5 5白炽灯利用热辐射发出可见光的电光源。 真空钨丝白炽灯的工作温度为23002800K，光效为 10lm/W。充气钨丝白炽灯由于在灯泡中充入惰性气体，使灯丝蒸 发出来的钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分返回灯丝 。有效地抑制钨蒸发，使工作温度提高到27003000K ，相应的光效提高到17lm/W。白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯 等，光辐射由钨丝通电加热发出的。常用钨制成单螺 旋丝或双螺旋丝。为加强某一方向的发光强度，有的 白炽灯在玻壳上蒸涂铝反射层。一些特殊用途的灯泡 采用彩色玻璃。在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），可以形成卤钨循环， 就
4、构成了卤钨灯。卤钨灯的工作温度为3200K，光效为30lm/W。卤钨灯卤钨灯白炽灯DateDate6 6利用气体放电原理制成的光 源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得 能量，使内层电子跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能 级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。气体放电光源有辉光放电灯、弧 光放电灯、高频放电灯等高压汞灯的发光效率达64lm/W。氙灯色温有6000K左右，显色指数 90以上，有“小太阳”之称，长弧氙灯发光效率为2530lm/W 。三 基色荧光灯发光效率可超过901m/W，
5、金属卤化物灯光效达(60 100流明/瓦)。气体放电光源DateDate7 7DateDate8 81907年首次发现半导体二极管在正向偏置的 情况下发光。 1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中 发现注入式电致发光 60年代末，LED得到迅速发展 1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP 间接带材料隙得到橙、黄、绿的LED 70年代末，人们开始用发光二极管作为数码 显示器和图像显示器。80年代，蓝光的LED研制出来，用宽带隙 n型或半绝缘的GaN、ZnS或ZnSe上形成 肖特基势垒形成6.1 发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管（LED-Light Emitting
6、 Diode ）是一种固态发 光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属 于低场下的注入式电致发光。 发展史DateDate9 9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 结注入发光与异质 结注入发光两种。 6.1.1 发光二极管的发光机理DateDate1010制作半导体发光二极管的材料是 重掺杂的，热平衡状态下的N区很 多自由电子，P区有很多多空穴。 由于PN结阻挡层的限制，在常态 下，二者不能自然复合。当加以 正向电压时，N区导带中的电子可 越过PN结的势垒进入P区。P区的 空穴也向N区扩散，于是电子与空 穴有
7、机会相遇，复合发光。由于 空穴迁移率低于自由电子，则复 合发光主要发生在p区。这属于自 发辐射，是非相干光。 光的颜色（波长）决定于材料禁 带宽度Eg，光的强弱与电流有关 1. PN结注入发光DateDate1111为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。由于p区和n 区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时两个势垒均减小，但P区的势 垒减小多，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。对n区电子 ，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，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。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。2. 异质
8、结注入发光透射窗透射窗DateDate1212为了进一步提高载流 子注入效率，常常采 用双异质结(DH)注入 。双异质结 注入发光DateDate13136.1.2 基本结构 图所示为波长0.80.9m 的双异质结GaAsAIGaAs面 发光型LED的结构。它的有源 发光区是圆形平面，直径约为 50m，厚度小于2.5m。一 段光纤(尾纤)穿过衬底上的小 圆孔与有源发光区平面正垂直 接入，周围用粘合材料加固， 用以接收有源发光区平面射出 的光，光从尾纤输出。有源发 光区光束的水平、垂直发散角 均为120。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型 1. 1. 面发光二极管面发光二极管
9、(SLED-(SLED-SurfaceSurface Emitting Emitting LEDsLEDs) ) DateDate1414图6-4所示为波长1.3m的双异 质结InGaAsPInP边发光型 LED的结构。它的核心部分是一 个N型AIGaAs有源层，及其两 边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导 光层(限制层)。导光层的折射率比 有源层低，比周围其他材料的折 射率高，从而构成以有源层为芯 层的光波导，有源层产生的光辐 射从其端面射出。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2535，垂直方向为120。 2. 边发光二极管 ELED-Edge Emitting
10、LEDsDateDate15156.1.3 LED的特性参数 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。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的 发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构 决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参 量：峰值波长和发光强度的 半宽度 。峰值波长:由材料的禁带宽度 决定。m1.24meV/Eg峰值光子的能量还与温度有 关,随温度的增加而减少。1. 1. 发光光谱和发光效率发光光谱和发光效率DateDate1616DateDate1717DateDate1818发光二极管发射的
11、光通量与输人电能之比表示发光 效率，单位lm/W；也有把光强度与注入电流之比称为发 光效率，单位为cdA（坎/安）。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:式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器 件的电子数,r是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才 能获得有效的光子发射。 发光效率DateDate1919光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后 因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反 射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。提高外部量子效率的措施：用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1
12、.55） 涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。 外部量子 效率定义单位时间发射到外部的光子数单位时间内注入到器件的电子-空穴对数DateDate2020辐射复合 辐射复合可直接由带间电子和空穴复合产生，也可通过 由晶体自身的缺陷掺入的杂质和杂质的聚合物所形成的 中间能级来产生；这些缺陷或杂质就叫做发光中心。主 要有六种复合形式：带间辐射复合、浅能级和主带之间 的复合、施主-受主对（D-A对）复合、深能级间的复合 、激子复合及等电子陷阱复合。 带间复合是指导带中的电子直接与价带中空穴复合，产 生的光子能量易接近等于半导体材料的禁带宽度。 非辐
13、射复合 非辐射复合的本质就是将电子和空穴复合释放的能量转 变为热能，一般有：俄歇复合、无辐射复合中心复合、 多声子复合等。俄歇复合指电子与空穴复合时，另一个 电子(或空穴)获得能量跃迁到更高的能量状态的过程。 获得更高能态的载流子与晶格反复碰撞后失去能量。 DateDate2121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。 发光二极管的时间短于 1s，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。如图，通常发光二极管 的外部发光效率均随温 度上升而下降。 2. 时间响应特性与温度特性DateDate2222发光二极管的发光亮度 L是
14、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 式中，是载流子辐射复合寿命 r和非辐射复合寿命nr的函数 LED的亮度与电流密度近似成线性关系，且 在很大范围内不易饱和。3. 发光亮度与电流的关系DateDate2323在低工作电流下，发光二 极管发光效率随电流的增加而 明显增加，但电流增加到一定 值时，发光效率不再增加；相 反，发光效率随工作电流的继 续增加而降低。因此，最大工 作电流密度应低于最大发射效 率的电流密度值。若发光二极 管的最大容许功耗为Pmax，则 发光管最大容许的工作电流为4. 最大工作电流最大发射效率 与温度关系最大
15、发射效率与 电流密度关系DateDate2424发光二极管与普通二极管 的伏安特性大致相同。电压小 于开启点的电压值时无电流， 电压一超过开启点就显示出欧 姆导通特性。这时正向电流与 电压的关系为 iioexp(eV/mkT)式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA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m2。电流 增大后，扩散电流占优势时，m1。因而实际测得的m值大小可以标 志器件发光特性的好坏。 5. 伏安特性DateDate2525发光二极管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
16、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。电流密度大，老化快 。 7. 响应时间 响应时间指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验 证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减 。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns， GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔 和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。 6. 寿命DateDate26268.光强分布不同型号不同型号LEDLED有不同的光强有不同的光强 分布，这是材料和结构不同分布，这是材料和结构不同 。 由于由于 - -族材料的折射率族材料的折射率 大（大（n n3 34 4），即使垂直），即使垂直 入射到空气界面的光也有入射到空气界面的光也有 5050的发射，与界面的法的发射，与界面的法 线大于线大于1616度（全反射临界度（全反射临界 角）的光完全发射回器件内角）的光完全发射回器件内 部。用球面发射表
