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半導(dǎo)體發(fā)光二極管
閱讀�4673時間�2017-07-18 09:56:26

    半導(dǎo)��(fā)光二極管和半�(dǎo)�激光器類似,也是一�PN�(jié),也是利用外電源向PN�(jié)注入電子來發(fā)光的。半�(dǎo)體發(fā)光二極管記作LED,是由P型半�(dǎo)體形成的P層和N型半�(dǎo)體形成的N�,以及中間的由雙異質(zhì)�(jié)�(gòu)成的有源層組�。有源層是發(fā)光區(qū),其厚度�0.1�0.2μm左右�

簡介

    半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)�(gòu)公差沒有激光器那么�(yán)格,而且無諧振腔。所以,所�(fā)出的光不是激�,而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下,N區(qū)的電子將向正方向擴散,�(jìn)入有源層,P區(qū)的空穴也將向�(fù)方向擴散,�(jìn)入有源層。�(jìn)入有源層的電子和空穴由于異質(zhì)�(jié)勢壘的作�,而被封閉在有源層�(nèi),就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這些在有源層�(nèi)粒子�(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子,�(jīng)躍遷與空穴復(fù)合時,將�(chǎn)生自�(fā)輻射光�

�(yōu)�

    半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)�(gòu)簡單,體積小,工作電流小,使用方�,成本低,所以在光電系統(tǒng)中的�(yīng)用極為普��

    在正向偏置下,半�(dǎo)體PN�(jié)或與其類似的�(jié)�(gòu)能夠�(fā)出可見光或近紅外光,這種把電能直接轉(zhuǎn)換為光能的器件稱為發(fā)光二極管,簡稱LED�

    �(fā)光是物體�(nèi)部以某種方式儲存的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程。發(fā)光物體的光輻射是材料中受激�(fā)的電子躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生的。半�(dǎo)體(主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素�(gòu)成的化合物半�(dǎo)體)�(fā)光二極管屬于電流激�(fā)的電致發(fā)光器��

    電致�(fā)光現(xiàn)象發(fā)�(xiàn)�1923�,當(dāng)時并沒有引起人們的注意。隨著近代技�(shù)的發(fā)�,對�(fā)光器件提出了新的要求,希望發(fā)光管簡單、可�、壽命長、價格低、小型化。所以自60年代開始電致�(fā)光的研究非常活躍�

�(fā)光機�

    原子、分子和某些半導(dǎo)體材�,能分別吸收和放出一定波長的光或電磁�。根�(jù)固體能帶�,半�(dǎo)體中電子的能量狀�(tài)分為價帶和導(dǎo)�,當(dāng)電子從一個帶中能�(tài)E1躍遷(�(zhuǎn)�)到另一帶中的能�(tài)E2�,就會發(fā)出或吸收一定頻�(υ)的光。υ與能量�(ΔE=E2-E1)成正比,�

    υ=ΔE/h (Hz)

    此式稱為玻爾條件。式中h=6.626×10-34J·s。當(dāng)�(fā)光二極管工作�,在正偏�,通常半導(dǎo)體的空導(dǎo)帶被通過�(jié)向其中注入的電子所占據(jù),這些電子與價帶上的空穴復(fù)�,放射出光子,這就�(chǎn)生了�。發(fā)射的光子能量近似為特定半�(dǎo)體的�(dǎo)帶與價帶之間的帶隙能量。這種自然�(fā)射過程叫作自�(fā)輻射�(fù)合(�1�。顯�,輻射躍遷是�(fù)合發(fā)光的基礎(chǔ)。注入電子的�(fù)合也可能是不�(fā)光的,即非輻射復(fù)合。在非輻射復(fù)合的情況�,導(dǎo)帶電子失去的能量可以變成多個聲子,使晶體發(fā)�,這種過程稱為多聲子躍�;也可以和價帶空穴復(fù)�,把能量交給�(dǎo)帶中的另一個電�,使其處于高能態(tài),再通過熱平衡過程把多余的能量交給晶�,這種過程稱為俄歇�(fù)�。隨著電子濃度的提高,這種過程將變得更加重要。帶間躍遷時,輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的兩種過程相互競爭。有的發(fā)光材料表�(xiàn)為輻射復(fù)合占�(yōu)��

LED�(jié)�(gòu)

    LED的結(jié)�(gòu)依應(yīng)用和材料摻雜情況而異。用于可見光指示和顯示方面的LED,要求�(jié)�(gòu)化以獲得高效�;用于光通信方面的LED,需要有高輻射度以把功率耦合入纖�,還希望有較大的�(diào)制能�。用作指示燈和顯示器的LED的基本結(jié)�(gòu)見圖2�

    半導(dǎo)體發(fā)光二極管

    光通信� LED的發(fā)射波長必須在光纖呈現(xiàn)低損耗的窗口區(qū)�0.8�0.9微米的GaAlAs-GaAs�(fā)光管�1.3�1.6微米的InGaAsP-InP�(fā)光管,波長分別落在石英纖維的和第二個透明窗口。為了與纖維耦合,光可以從LED的一面或一邊提��

    對LED的要�

    ①提高內(nèi)量子效率,要求盡量減少晶體缺陷和有害雜�(zhì);②提高外量子效�,結(jié)�(gòu)要便于光收集、提取和�(fā)�;③可以用攜載信息的輸出電流直接對光輸出�(jìn)行高速率的調(diào)�;④�(jié)�(gòu)要有利于散熱,減少因�(jié)溫上升引起光功率下降;⑤要有高的輻射度,因此必須�(yīng)用直接帶隙半�(dǎo)體和能夠在高電流密度下驅(qū)動的�(jié)�(gòu)�

    LED的特�

    在低�(低于2�)、小電流(幾十毫安至200毫安)下工作,功耗小、體積小、可直接與固體電路連接使用;穩(wěn)�、可靠、壽命長(105�106小時);調(diào)制方�,通過�(diào)制LED的電流來�(diào)制光輸出;光輸出響�(yīng)速度比較快(1�100兆赫);價格便宜�  �(yīng)用 LED可用作指示燈、文�-�(shù)字顯�、光耦合器件、光通信系統(tǒng)光源��

    LED光通量的計�

    φ=2πÌ�1-cos½α�

器件特�

    ①輸出光功率與電流和溫度的關(guān)�,對表面出光器件,在�(qū)動電源較小時,輸出功率隨電流線性增�,電流較大時�?yōu)閬喚€�,量子效率也隨之降低,這是�(fā)熱溫升引起的。超輻射二極管因存在相當(dāng)大的增益,使器件存在很強的超線性行�,溫度敏感性隨增益提高而增強;

    ②光譜特�,表面發(fā)光的LED光譜屬自�(fā)輻射�。發(fā)射波長為0.85μm的GaAlAs(鎵鋁砷)器件,光譜寬度約為40nm�1.3μm的InGaAsP(銦鎵砷磷)器件為ll0nm。端面出光LED,由于沿有源區(qū)長度方向的自吸收,譜寬比面出光LED�,對超輻射二極管,光增益的出�(xiàn)使光譜�(jìn)一步變窄;

    ③輸出功率和�(diào)制帶�,影響LED輸出功率和調(diào)制帶寬的因素有界面非輻射�(fù)�,自吸收和載流子漏泄�。這些因素又與器件參數(shù)有關(guān),諸如摻雜濃�、少�(shù)載流子擴散長�、吸收系�(shù)、有源層厚度,雙異質(zhì)�(jié)中有源層與限制層的帶隙能量差和注入電流密度等,這些參數(shù)又是相關(guān)�。調(diào)制帶寬與輸出功率呈倒數(shù)�(guān)系,對特定的材料和工藝水平其功率與帶寬乘積也不同�

指示�

    用作指示燈的LED有兩種結(jié)�(gòu):徑向引線�(jié)�(gòu)和軸向引線結(jié)�(gòu)。前者尺寸小、價格低,適宜安裝在印刷電路板上;后者既可安裝在儀器面板上,又可直接安裝在印制線路板上。專為印制線路板�(shè)計的最小的LED指示�,可與晶體管和集成電路兼�,用來指示電路狀�(tài)和故障。LED可作為電視頻道調(diào)諧指示器,還可用于高保真度收音機和錄音機以及汽�、飛機和機電工業(yè)。大多數(shù)指示燈是單管�,新�(fā)展的還有雙色燈和多色燈�

文字?jǐn)?shù)�

    LED用作袖珍計算�。數(shù)字手表和電子儀表的�(shù)字顯示,一般為七段顯示。但對臺式計算器,更靈活的顯示方式(產(chǎn)生全文字-�(shù)字)�35點矩陣,其中LED裝成7×5陣列�35點矩陣價格較高、驅(qū)動電路復(fù)�,其�(yīng)用不及七段顯示器件廣��  光耦合器件  GaAs(或GaAsP)LED和Si-PN�(jié)探測器相�(jié)�,可以制成許多新型器�,�(jìn)行光-電和�-光的傳遞,通常稱為光耦合器件。熟知的是光耦合隔離�,它高�、可靠并可提供高�2.5千伏的電隔離。GaAsLED與Si晶體管相�(jié)合制成穿孔卡片或磁帶的光電子讀�(shù)�,比鎢絲燈徑向分布可�、穩(wěn)�、抗震和功耗小。采用光耦合器件的汽車點火裝�,省�、易起動、工作平�(wěn)。GaAlAs�(fù)阻發(fā)光二極管可用作發(fā)光開�(guān)、可控發(fā)光整流器和光波長�(zhuǎn)換等�

光源

    通信、信息處理和光耦合等應(yīng)用要求LED有良好的方向�。適于光通信�(yīng)用的兩種主要光源是高輻射度LED和半�(dǎo)體注入激光器。LED�(wěn)�、可靠、壽命長、驅(qū)動電路簡�、功率對溫度不敏�,廣泛用作中、短距離(鐵�、電�、交通、公安等)光通信系統(tǒng)的光源。GaAlAs-GaAs面發(fā)光管的帶寬為10�20兆赫,適用于二次群光通信系統(tǒng)(可傳�120路電�),傳輸距離大于5公里。GaAlAs-GaAs快速邊�(fā)光管帶寬50�100兆赫,適用于三級群光通信系統(tǒng)(可傳�480路電�),傳輸距離數(shù)公里。InGaAsP-InP LED可用于更長距�(大于10公里)的傳輸系�(tǒng)。此�,LED還用于信息處理、圖像傳�、測距和傳感等方靀�

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