发光器件与光电耦合器件.pdf

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1、第6章发光器件与光电耦合器件6.1发光二极管的基本工作原理与特性通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和提高，用发光二极管作光源有许多优点。物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前(1)体积小，重量轻(2)工作电压低，耗电小，者被称为热辐射，后者称为激发辐

2、射，激发辐驱动简便，便于计算机控制(3)既有单色性好的射的光源常被称为冷光源。发光二极管，又有发白光的发光二极管（4）本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。导体发光器件及光电耦合器件。6.1.1发光二极管的发光机理6.1.1发光二极管的发光机理发光二极管（LED，LightEmittingDiodes）1.PN结注入发光是一种注入电致发光器件，它由P型和N型半导PN结处于平衡时，体组合而成。存在一定的势垒区，其能带如图6-1所示。当其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发加正偏压时，PN结

3、区势光两种。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。6.1.1发光二极管的发光机理6.1.2基本结构2.异质结注入发光1.面发光二极管16.1.2基本结构6.1.3LED的特性参数2.边发光二极管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。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是它的峰值波长和发光强度的半宽度

4、。6.1.3LED的特性参数6.1.3LED的特性参数图6-5给出了GaAsP和0.6o.4对于辐射跃迁所发射的光子，其波长λ与GaP的发射光谱。当GaAsP1—xx跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为λ＝中的x值不同时，峰值波长在hc／ΔE。复合跃迁前后的能量差大体就620～680nm之间变化，谱线半是材料的禁带宽Eg。因此，峰值波长由材宽度大致为20～30nm。GaP发料的禁带宽度决定。红光的峰值波长在700nm附例如GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比近，半宽度大约为100nm。室温下的禁带宽度少0.3eV。6.1.3LED的特性参

5、数6.1.3LED的特性参数峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。增加而减少。在结温上升时，谱带波长以内部量子效率为0.2~0.3nm/℃的比例向长波方向移动。发光二极管发射的光通量与输人电能之比表neo示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度inni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式中，n为每秒发射出的光子数,n为每秒注入到eoi效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比器件的电子数。表示。26.1.3LED的特性参数6.1.3LED的特性

6、参数必须指出，辐射复合发光的光子并不是内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率全部都能离开晶体向外发射。光子通过等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和半导体有一部分被吸收，有一部分到达无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子界面后因高折射率（折射系统的折射系寿命τr和τrn，其中辐射复合率与1/τr成正数约为3～4）产生全反射而返回晶体比，无辐射复合率为1/τrn。内部后被吸收，只有一部分发射出去。6.1.3LED的特性参数6.1.3LED的特性参数因此，将单位时间发射到外部的光子数n除以单位时间内ex注入到器件的电子-空穴对数ni

7、n定义为外部量子效率ηex，通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而nexex下降。图6-6表示GaPnin（绿色）、GaP（红色）、对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如GaAsP三种发光二极管的CaP[Zn-O]红光发射效率η很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的evηev约为0.7％；对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％；对发红外光相对光亮度Le,λ,r与温度t的InGaP[Te，Zn]的η约为0.1％。0.320.68ev的关系曲线。6.1.3LED的特性参数6.1.3LE

8、D的特性参数提高外部量子效率的措施有三条：2.时间响应特性与温度特性用比空气折射率高的透明物质如环氧树发光二极管的时间响应快，短于1μs，比人眼的时间响应脂（n