发光器件与光电耦合器件概述课件.ppt
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- 发光 器件 光电 耦合 概述 课件
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1、 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体光。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。热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为前者被称为热辐射热辐射,后者称为,后者称为激发辐射激发辐射,激发辐射的,激发辐射的光源常被称为。光源常被称为。 光源光源热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯汞灯荧光灯荧光灯钠灯钠灯氙灯氙灯金属卤化物灯金属卤化物灯空心
2、阴极灯空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器温度辐射温度辐射发光发光光致发光光致发光阴极射线发光阴极射线发光放射线发光放射线发光电致发光电致发光注入式电发光注入式电发光 LED (Light emitting diode)l6.1 发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 6.1.1 发光二极管的发光机理发光二极管的发光机理 发光二极管(即发光二极管(即LEDLED)是一种)是一种注入电致发光注入电致发光器件,器件,它由它由 P P型和型和 N N型半导体组合而成。其
3、发光机理常分为型半导体组合而成。其发光机理常分为PNPN结结( (同质结同质结) )注入发光注入发光( (发生在发生在p p区区) )与异质结注入发光与异质结注入发光( (发生在发生在n n区区) )两种。两种。 本章主要介绍本章主要介绍注入式半导体发光器件注入式半导体发光器件(LED(LED、LD)LD)及及光电耦合器件。光电耦合器件。重点:重点: LED、LD的发光原理及光电耦合器件的应用的发光原理及光电耦合器件的应用l1. PN1. PN结(结(同质结同质结)注入发光)注入发光 PN PN结处于平衡时,结处于平衡时,存在一定的势垒区,其存在一定的势垒区,其能带如图能带如图6-1 6-1
4、所示。当所示。当加正偏压时,加正偏压时,PNPN结区结区势势垒降低垒降低,从扩散区注入,从扩散区注入的大量非平衡载流子不的大量非平衡载流子不断地复合发光,并主要断地复合发光,并主要发生在发生在p p区区。 hu EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+Electron in CBHole in VBEcEvEcEvEFeVoElectron energy问题问题:这和普通二极管的工作状态一样吗?为什么普通:这和普通二极管的工作状态一样吗?为什么普通二极管不发光,而发光二极管会发光呢?反向偏置的发二极管不发光,而发光二极管会发光呢?反向偏置的发光二极管能发光吗?光二极管能发光吗?2. 2
5、. 异质结注入发光异质结注入发光 禁带宽的禁带宽的p p区成为注入源,禁带窄的区成为注入源,禁带窄的n n区成为载流子复合发区成为载流子复合发光的发光区光的发光区. . 由于由于n n区所发射的光子能量区所发射的光子能量hvhv比比E EG2G2 小得多,它进小得多,它进入入p p区不会引起本征吸收而直接透射出去。区不会引起本征吸收而直接透射出去。l1. 1. 面发光二极管面发光二极管 光从尾纤输出。光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120120。l2. 边发光二极管边发光二极管 边发光边发光LEDLED的方向性比面发光器件要好,其发散角水平
6、的方向性比面发光器件要好,其发散角水平方向为方向为25253535,垂直方向为,垂直方向为120120。 l1. 发光光谱和发光效率发光光谱和发光效率 LEDLED的发光光谱指的发光光谱指LEDLED发出光的相对强度发出光的相对强度( (或能量或能量) )随波长随波长( (或频率或频率) )变化的分布曲线。描述光谱分布的两个主要参量是它的变化的分布曲线。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和峰值波长和发光强度的半宽度。发光强度的半宽度。对对于辐射跃迁所发射的光于辐射跃迁所发射的光子,峰值波长由材料的子,峰值波长由材料的禁带宽度决定。禁带宽度决定。峰值光子的能量还与温度有关,它随温度的增加而
7、减峰值光子的能量还与温度有关,它随温度的增加而减少。在少。在结温上升结温上升时,谱带波长以时,谱带波长以0.20.3nm/0.20.3nm/的比例的比例向向长波方向移动长波方向移动。 发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光发光效率,效率,单位单位lm/Wlm/W;或光强度与注入电流之比称为发光;或光强度与注入电流之比称为发光效率,单位为效率,单位为cdcdA A(坎(坎/ /安)。安)。GaAsGaAs红外发光二极管红外发光二极管的发光效率由的发光效率由输出辐射功率与输入电功率输出辐射功率与输入电功率的百分比表的百分比表示。示。 发光效率由内部量子
8、效率与外部量子效率决定发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率为内部量子效率为 nrrieoin11nn(61) n neoeo为每秒发射出的光子数为每秒发射出的光子数, ,n ni i为每秒注入到器件的电为每秒注入到器件的电子数子数, ,r r是辐射复合的载流子寿命是辐射复合的载流子寿命, ,rnrn是无辐射复是无辐射复合的载流子寿命。只有合的载流子寿命。只有rnrnr r,才能获得有效,才能获得有效的光子发射。的光子发射。 外部量子效率外部量子效率exex: :单位时间发射到外部的光子数单位时间发射到外部的光子数n nexex除以除以单位时间内注入到器件的电子单位时间内注入到
9、器件的电子- -空穴对数空穴对数n ninin,即,即exexinn(62) 对对 GaAsGaAs这类直接带隙半导体,这类直接带隙半导体,inin可接近可接近100100。但。但exex很小,很小,如如GaPZn-OPZn-O红光发射效率红光发射效率evev很小,最高为很小,最高为1515;发绿光的;发绿光的GaPNGaPN的的evev约为约为0.70.7;对发红光的;对发红光的 GaAsGaAs0.60.6P P0.40.4,其,其exex约为约为0.40.4;对;对发红外光的发红外光的InIn0.320.32GaGa0.680.68PTePTe,ZnZn的的evev约为约为 0.10.1
10、。 l2. 时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率的措施有三条:提高外部量子效率的措施有三条: 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂(用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂(n n2 2 =1.55 =1.55)涂)涂敷在发光二极管上;敷在发光二极管上; 把晶体表面加工成半球形;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。用禁带较宽的晶体作为衬底,以减少晶体对光吸收。 响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极管熄灭的时间管熄灭的时间。发光二极管的时间响应快,短于发光二极管的
11、时间响应快,短于1s1s,比人眼的,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。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。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。光能级上跃迁的几率。 通常发光二极管的通常发光二极管的外部发光效率均随温外部发光效率均随温度上升而下降。图度上升而下降。图6-6 6-6 表示表示GaPGaP(绿色)、(绿色)、GaPGaP(红色)、(红色)、GaAsPGaAsP三种发光二极管的相三种发光二极管的相对光亮度对光亮度L Le,re,r与温度与
12、温度t t的关系曲线。的关系曲线。 l3. 发光亮度与注入电流的关系发光亮度与注入电流的关系 发光二极管的发光亮度发光二极管的发光亮度L L是单位是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发面积发光强度的量度。在辐射发光发生在生在P P区的情况下,发光亮度区的情况下,发光亮度L L与电子与电子扩散电流扩散电流i idndn之间的关系为之间的关系为 ReiLdn(63) 是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命R R和非和非辐射复合寿命辐射复合寿命nrnr的函数的函数 l4. 最大工作电流最大工作电流 工作电流工作电流 : : 几几mA mA 几十几十 mAmA若工作电流较小,若工作电流较小,LEDL
13、ED发光效率随电流的发光效率随电流的增加而明显增加,但电流增大到一定值时,增加而明显增加,但电流增大到一定值时,发光效率不再增加;相反,发光效率随电发光效率不再增加;相反,发光效率随电流的增大而降低。随着电流密度的增加,流的增大而降低。随着电流密度的增加,pnpn结温度升高,将导致热扩散,使发光效结温度升高,将导致热扩散,使发光效率降低。率降低。 最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LEDLED的最大功耗为的最大功耗为P Pmaxmax,则其最大的电流为则其最大的电流为 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max(64) 式中,式
14、中,r rd d为为LEDLED的内阻;的内阻;I If f、U Uf f均为它在较小电流时的电流和压降。均为它在较小电流时的电流和压降。 l5. 伏安特性伏安特性 正向电流与电压的关系为正向电流与电压的关系为 iioexp(qU/mkT)m m为复合因子。在较宽禁带的半导体中,当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中,当电流i i0.1mA0.1mA时,通过结时,通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用,这时内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用,这时m m2 2。电流增。电流增大后,扩散电流占优势时,大后,扩散电流占优势时,m m1 1。因而实际测得的。因而实际测得的m m值大小可以
15、标值大小可以标志器件发光特性的好坏。志器件发光特性的好坏。 (65) 4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA/mA输出功率输出功率/ mW/ mWl6. P-I特性特性 l7. 寿命寿命 LEDLED的寿命定义为的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二。二极管的寿命一般都很长,在电流密度小于极管的寿命一般都很长,在电流密度小于lA/cmlA/cm2 2时,一般可达时,一般可达10106 6h h,最长可达最长可达10109 9h h。随着工作时间的加长,亮度下降的现象叫老化。老。随着工作时间的加长,亮度下降的现象叫老化
16、。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大,老化变快,化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大,老化变快,寿命变短。寿命变短。 8. 8. 响应时间响应时间 LEDLED响应时间指器件启亮响应时间指器件启亮( (上升上升) )(发光亮度从(发光亮度从1010上升到上升到9090所经所经历的时间)与熄灭历的时间)与熄灭( (衰减衰减) )所经历的时间。实验证明,所经历的时间。实验证明,二极管的上升二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减时间随电流的增加而近似呈指数衰减。LEDLED的响应时间一般是很短的响应时间一般是很短的,如的,如GaAsGaAs1-x1-xP Px x仅为几
17、个仅为几个nsns,GaPGaP约为约为100ns100ns。在用脉冲电流驱动二。在用脉冲电流驱动二极管时,脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。极管时,脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。 LED LED工作需要施加工作需要施加正向偏置电正向偏置电压,压,以提供驱动电流。典型的驱以提供驱动电流。典型的驱动电路如图动电路如图6-106-10所示,将所示,将LEDLED接入接入到晶体三极管的集电极,通过调到晶体三极管的集电极,通过调节三极管基极偏置电压,可获得节三极管基极偏置电压,可获得需求的辐射光功率。在光通信中需求的辐射光功率。在光通信中以以LEDLED为光源的场合
18、,需要对为光源的场合,需要对LEDLED进行调制,则调制信号通过电容进行调制,则调制信号通过电容耦合到基极,输出光功率则被电耦合到基极,输出光功率则被电信号所调制。信号所调制。 。,通过选用不同的材料,通过选用不同的材料,可以实现各种发光颜色。如采用可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材料材料的红色的红色LEDLED,GaAaPGaAaP材料的橙色、黄色材料的橙色、黄色LEDLED,以及,以及GaNGaN蓝蓝色色LEDLED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合,可以实等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合,可以实现全色化。现全色化。随着各种颜色随着各种颜色
19、LEDLED辉度的迅速提高,辉度的迅速提高,即使在日光下,由即使在日光下,由LEDLED发出的光也能视认。正是基于这发出的光也能视认。正是基于这一优势,在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告一优势,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。示牌等方面的应用正迅速扩大。 l 。在其他显示器件不能。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、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电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。扩大。l 基
20、本上不需要维修。可作为地板、基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源,是一个新的应用马路、广场地面的信号光源,是一个新的应用领域。领域。 二、二、 应用应用l l 利用利用LED进行数字显示,有点矩阵型和字进行数字显示,有点矩阵型和字段型两种方式。段型两种方式。l点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示 字段型数字显示字段型数字显示 树脂树脂反射框反射框引线框架引线框架LEDLED芯片芯片l LED平面显示器可分为单片型、混合型及平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。点矩阵型等几大类。 l LED除用做显示器件外,还可用做各种装除用做显示器件外,还可用做各种装置、系统的光源。
21、置、系统的光源。l5、光电开关、报警、遥控、耦合光电开关、报警、遥控、耦合 将将发光器件与光电接收器件组合成一体发光器件与光电接收器件组合成一体,制成具,制成具有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。光电耦合有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。光电耦合器件的发光件常用器件的发光件常用LEDLED发光二极管、发光二极管、LDLD半导体激光器半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电二极管、光和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的,只有光信息相连。的发送端与接收端
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