光电检测技术与应用 第4章 电光信息转换

第四章第一部分 电光信息转换将电信号转换为光信号的器件称为

光电转换器件 。本章主要介绍发光二极管、半导体激 本章主要介绍发光二极管、 光器、液晶显示器、 光器、液晶显示器、阴极射线管及等离子 显示板。 显示板。

电光信息转换★ ★ ★ ★ ★

发光二极管

半导体激光器

液晶显示器

阴极射线管

等离子显示

发光二极管半导体光源的物理基础 发光二极管的工作原理、 发光二极管的工作原理、结构及驱动 LED的特性 的特性 LED的特点及应用 的特点及应用

发光二极管半导体光源的物理基础 在物质的原子中，存在许多能级， 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级 E1称为基态，能量比基态大的能级 Ei(I=2,3,4…) 称为激发态。 电子在低能级与高能级之间可以有3 种跃迁， 电子在低能级与高能级之间可以有 种跃迁， 下面以E 能级为例进行介绍。 下面以 1与E2能级为例进行介绍。

(1)受激吸收 受激吸收

E2 hv

E1 E2

(2)自发辐射 自发辐射

hv

E1 E2

(3)受激辐射 受激辐射

hv

hv hv E1

发光二极管的工作原理、结构及驱动一、工作原理 发光二极管(light emitting diode,LED),是利用正向偏置PN结中电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。光输出 N-AIyGa1-yAs P- GaAs

P-AIxGa1-xAs

图4.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图

发光二极管的工作原理、结构及驱动二、基本结构 1、面发光二极管 、光纤 圆形蚀刻孔 接合材料 金属化层

衬底 限制层SiO2绝缘层

SiO2绝缘层

双异质结 层

金属化层 热沉

图4.1.2-2 面发光二极管的结构示意图 有源区 圆形金属触点

发光二极管的工作原理、结构及驱动2、 边发光二极管 、导光层 衬底 金属化层 (用于电接触) 条形接触 (确定有源区) 有源区 金属化层 (用于电接触)

SiO2绝缘层 双异质结

热沉

图4.1.2-3边发光型LED的结构示意图

发光二极管的工作原理、结构及驱动三、驱动电路+5V Rb1 LED

Vin

Rb2

Re

图4.1.2-4 LED驱动电路

LED的特性LED的特性 的特性一、光谱特性 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振 腔对波长的选择，谱线较宽，如图4.1.3-1所示。相 对 光 强

Δλ=70nm

15 发 射 光功率 P/mW 10 5

面发光

图4.1.3-1 LED光谱

1300

波长/nm

0

边发光

图4.1.3-2 LED 的P-I曲线

0

200

400 电流I /mA

LED的特性二、 光束的空间分布在垂直于发光平面上，面发光LED辐射图呈朗伯分布， 即 。边发光 P ( θ,半功率点辐射角 ) = P 0 cos θ 型LED, 120 o , 。 θ // = 120o θ⊥ = 25o ~ 35o θ =

三、

输出光功率特性LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的 光子数，一般外微分量子效率小于10%。发光二极 管的输出光功率特性如图4.1.3-2所示。驱动电流较 小时，P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结 发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。11

LED的特点及应用§4.1.4 LED的特点及应用 的特点及应用一、特点1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大 、 辐射光为非相干光， 辐射光为非相干光 光谱较宽，发散角大。 2、 LED的发光颜色非常丰富 、 的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以 的发光颜色非常丰富 实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED,GaAaP材料的橙色、黄色LED,以及GaN蓝色LED等。 而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使 、 的辉度高。 的辉度高 在日光下，由LED发出的光也能视认。正是基于

LED的特点及应用这一优势，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。 4、LED的单元体积小 、 的单元体积小。在其他显示器件不能使用 的单元体积小 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、家用电器的 指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马 、寿命长， 路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。

LED的特点及应用二、 应用1、 指示灯 、 2 、数字显示用显示器 利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种 方式。树脂 反 射 框 引 线 框 架

LED芯片

图4.1.4-1点矩阵型数字显示

图4.1.4-2 字段型数字显示

LED的特点及应用3、平面显示器 、 LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几 大类。

4、光源 、 LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光 源。

半导体激光器§4.2 半导体激光器●

4.4.1 光学谐振腔与激光器的阈值条件●

4.4.2 半导体激光器的结构●

4.4.3 半导体激光器特性●

4.4.4 LD的应用 的应用