光电检测技术及应用 教学课件 ppt 作者 徐熙平 第4章 半导体发光管与激光器

2019年5月25日星期六,光电检测技术及应用,第4章 半导体发光管与传感器,任课教师：徐熙平,目 录,4.1发光二极管 发光机理、应用 4.2半导体激光器 发光机理、结构 4.3几种典型的激光器 气体激光器、固体激光器、染料激光器,第4章 半导体发光管与激光器,发光： 物体向外发射出可见光、不可见光（红外、紫外等） 热辐射：物体温度高于绝对零度而产生的 物体热辐射。 分类 激发辐射：物体在待定温度下受外界能量 激发的辐射，激发辐射光源为冷光源。,第4章 半导体发光管与激光器,光致发光 化学发光 冷光源： 摩擦发光 阴极射线发光 结型（注入式） 电致发光 粉末 薄膜,电致发光： 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。,利用少数载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做注入式发光。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,发光二级管在正向偏置作用下，p和n在结区不断碰撞，复合释放能量而发光。这类光源的优点是： 1) 它体积小，重量轻，便于集成； 2) 工作电压低，耗电小，驱动简便，容易用计算机控制； 3) 既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管； 4) 发光亮度高，发光效率高，亮度便于调节，被广泛地应用于数字仪表显示、大屏幕图像显示，并在图像传感器应用技术中作为光源使用。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,1、发光机理 PN结注入发光,注入发光的能带结构,当加正偏压时，PN结区势垒降低，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。,红外光：GaAs 红光：GaP掺Zn-O 绿光：GaP掺Zn 黄光：GaP掺Zn-N,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,异质结注入发光,异质结注入发光,a)异质结能带图 b)异质结注入发光机理,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,基本结构,面发光二级管 边发光二极管,光从尾纤输出，有源发光区的水平、垂直发散角均为120度。,光从其端面 射出，发散角水平方向为25度到35度、垂直方向为120度。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,特性参数 （1）发光光谱和发光效率,GaAs0.6P0.4与GaP的发射光谱,峰值波长 半宽度,峰值波长由材料的禁带宽度决定。 峰值光子的能量还与温度有关，他随温度的升高而减小。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,发光效率 发射的光通量/输入电能（lm/W） 光强度/注入电流（cd/A） 输出辐射功率/输入电功率（百分比） 由内部量子效率与外部量子效率决定：,用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂( =1.55)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，以减小晶体对光的吸收。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,（2）时间响应特性 & 温度特性,GaP(红色、绿色)及GaAsP发光二极管 的相对光亮度与温度的关系曲线,发光二极管的时间响应快，为 ns 量级，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光能级上跃迁的几率。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,（3）发光亮度与电流的关系,发光亮度与电流密度的关系曲线,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。在亮度调整过程中发光光谱保持不变。很适合于用做脉冲电流驱动，脉冲工作状态下LED工作时间短，发热低，在平均电流与直流相等的情况下可以得到更高的亮度。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,（4）最大工作电流,GaP发光二极管内量子效率 与电流密度J 及温度T 间的关系曲线,在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增大而明显提高，但电流增大到一定值时，发光效率不再提高； 相反，发光效率会随工作电流的继续增大而降低。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,（5）伏安特性,发光二极管的伏安特性曲线,电压小于开启点的电压值时无电流，电压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： 反向击穿电压一般在-5V 以上，有些发光二极管的反向击穿电压已超过-200V。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,（6）寿命 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1A/ 时，一般可达 h，最长可达 h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫做老化。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，寿命变短。,（7）响应时间 在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量称响应时间，即器件启亮(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大而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs P 仅为几个ns，GaP约为100ns。,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,驱动电路 将 LED 接入到晶体管的集电极，通过调节晶体管基极偏置电压，可获得所要求的辐射光功率。在光通信中以 LED 为光源的场合，需要对 LED 进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。,典型的LED驱动电路,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,2、应用,数字、文字以及图像显示,七段式数码管,文字显示器的内部接线,14划字码管,第4章 半导体发光管与激光器,一、发光二极管,指示、照明 单个发光二极管还可作为仪器指示灯、示波器标尺、道路交通指挥显示器、收音机刻度及钟表的文字照明等。目前已有双色、多色甚至变色的单体发光二极管，如英国已将红、橙、绿三种颜色的管芯组装在一个管壳里可显示多种颜色的单体发光管，用于各种玩具及装饰中。 此外，LED 可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合器件等。 光源 红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中，LED以及LED组合器件不仅可以作为光电尺寸测量系统、振动测量系统及其他检测系统的信号光源。而且，由于LED 组合器件构成的光源具有无阴影、多角度、寿命长、易制作成各种形状等特点，而被用于各种测量系统的照明光源。LED多功能照明光源的出现，使许多检测系统的难度降低。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,1、发光机理 自发辐射,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。,E1,E2,h =E2-E1,特征,·不可能控制 ·频率(波长),相位,偏振,传播方向是随机的,t,激 励 作 用,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,受激辐射,E1,E2,原子模型,能级模型,受到入射光的刺激的粒子发出具有跟入射光一样的性质的光的现象。,· 可以控制 ·跟入射光频率(波长)、相位、偏振、传播方向一致,特征,激光 :受激被放大的光 普通光 :自发辐射光,激光和普通光的根本差异,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,吸收,？,某一些能级的粒子吸收入射光子跃迁到更上能级的现象。,有吸收的介质 I透过I入射,E1,E2,产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位。 要让激发态的载流子数远远大于处于基态的载流子数。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,粒子数反转 使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或称粒子分布的反转状态。 产生粒子数反转的方法： 固体激光器-光谱适当的强光灯； 气体激光器-气体电离-； 半导体激光器-注入载流子。,热 平 衡 情 况,N2N1,E1,E2,粒 子 反 转,N2N1,E1,E2,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,谐振腔 平行于腔轴的光子在腔内的两个反射面上来回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次增强，使光子数不断增长。,反射,吸收,散射,衍射,透过,谐振腔失掉,偏振损失,起偏器,泡克尔晶体,形成谐振的条件： 增益损耗,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,增益损耗,增益损耗,增益=损耗,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,形成稳定的振荡的条件： 谐振频率或纵模频率：,反射面,反射面,L,m=1,m=2,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,放 大 过 程,E2,E1,泵浦过程,E2,E1,受激过程,激活原子,重叠波前,相 位 一 致 的 波 前 产 生,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,激光器的一般组成,电源,谐振腔镜子,聚光腔,作用物质,泵浦灯,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,能量转换,电气-光转换 过程损失,光谱不配合及 传达过程损失,冷光量子转换损失,模式不配合及 各种谐振腔损失,电气能,泵浦光能,吸收能,量子能,激光,聚光腔,谐振腔,工作物质,泵浦 光源,泵浦光,受激辐射,激光,聚焦光,电气能,泵浦系统,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,2、结构,a)法布里-珀罗谐振腔 b)圆柱形谐振腔 c)矩形谐振腔 d)三角形谐振腔 结型半导体激光器的结构,激光器工作物质种类很多，其中GaAs是第一种有激光作用的半导体材料。适当选择这些材料，可以获得不同频率的半导体激光器。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,a)零偏压 b)正向偏压 结型激光器的能带结构,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率叫阈值。 阈值电流：达到阈值增益时注入的电流密度。PN结型LD室温下阈值电流很高，且不能实现室温下连续振荡。,激光阈值条件及影响阈值的因素,激光器的输出特性曲线,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,典型Gds激光器的阈值电流密度I与腔长1/L的关系,影响因素： 共振 腔 长度大，阈 值电流小； 温度大，阈 值电流大； 单轴向压力大，阈 值电流小； 外加磁场强度大，阈 值电流小。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,典型GaAs激光器的频谱分布曲线,低于阈值时，自发辐射，非相干光，谱线宽，如1； 高于阈值时，发生共振，谱线变窄，对应峰值波长的频率为共振频率（驻波频率）如图2，3。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,a)结构 b)能带 单异质结激光器的能带结构,单异质结激光器,低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为8000mA，但在温度变化下，阈值随温度变化小，在室温下实现脉冲振荡。,第4章 半导体发光管与激光器,二、半导体激光器,