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
47页1、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
2、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,GaA
3、s0.6P0.4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
4、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
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