2第二章-光源-电致发光效应及器件.doc

1光电检测技术 教案章 节： 第二章 电致发光效应及器件 （二）第一节 电致发光效应简介第二节 发光二极管第三节 半导体激光器第四节 液晶显示器第五节 等离子显示讲解过程中介绍光学概念和性质教学任务：1. 使学生了解电致发光效应的含义；2. 掌握电致发光效应器件原理和特点；3. 了解电致发光效应器件应用重点及难点：1. 电致发光器件原理；2. 电致发光器件使用和选择方法；3. 器件应用范畴教学内容提要：1、 电致发光效应器件原理和特点；2、 几种电致发光器件使用和选择方法复习思考题、作业：叙述激光器的结构和激光特点，举例说明激光的应用参考书：《光电检测技术与应用》 ，郭培源，付杨编著，北京航空航天大学出版社，2006年《光电检测技术》 ，曾光宇，张志伟，张存林主编，清华大学出版社，2005 年2目 录第二章 电致发光效应及器件 ......................................................................................3§2-1　 第一节 电致发光效应 ..............................................................................3§2-2　 第二节 发光二极管 ..................................................................................4§ 2-2-1 半导体光源的物理基础 ..................................................................4§ 2-2-2 发光二极管的工作原理、结构及驱动 ..........................................8§ 2-2-3 LED 的特性 ......................................................................................9§ 2-2-4 LED 的特点及应用 ........................................................................11§2-3　 第三节 半导体激光器 ..........................................................................12§ 2-3-1 光学谐振腔与激光器的阈值条件 ................................................12§ 2-3-2 半导体激光器的结构 ....................................................................16§ 2-3-3 半导体激光器特性 ........................................................................18§ 2-3-4 LD 的应用 .......................................................................................20§2-4　 第四节 液晶显示器 ..............................................................................20§ 2-4-1 液晶显示器原理 ............................................................................20§ 2-4-2 液晶显示器的构造 ........................................................................23§ 2-4-3 液晶显示器的特点及应用 ............................................................24§2-5　 第五节 等离子体显示板 ......................................................................25§ 2-5-1 等离子体显示板（PDP ） .............................................................25§ 2-5-2 PDP 的特征及应用 .........................................................................263第二章 电致发光效应及器件§2-1　第一节 电致发光效应首先回顾第一章中讲的光电检测技术中的光源。

一般根据输出光束相干性，将光源分成相干光源和非相干光源，如图所示基于 PN 节激光器固体激光器染料激光器半导体激光器气体激光器等非线性光学器件激光相干光源太阳气体放电灯、荧光灯白炽灯黑体辐射器照明光源非相干光源阴极射线管等离子体管荧光显示器液晶显示器场致发光显示器发光二极管信息处理光源显示光源图 1 非相干光源种类4本章以电致发光光源为重点进行讲解电致发光(英文 electroluminescent)，简称 EL，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象简单地说，就是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为光能的过程利用这种现象制成的器件称为电致发光器件常见的发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、等离子显示，下面分别进行介绍§2-2　第二节 发光二极管§ 2-2-1 半导体光源的物理基础在物质的原子中，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，下面以 E1与 E2 能级为例进行介绍1）受激吸收E2E1hv（2）自发辐射E2E1hv（3）受激辐射E2E1hv hvhv图 2 三种跃迁形式示意图。

设在单位物质内，处于低能级 E1 和处于高能级 E2 的粒子5数分别为 N1 和 N2当系统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳兹曼统计分布1)kTEN1212exp式中， ，为玻耳兹曼常数，T 为热力学温度 在热平衡状态下，总是有 N1>N2受激吸收速率大于受激辐射速率当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质如果 N2>N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介质） 本征半导体的能带结构图 3 本征半导体的能带结构 在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，能级 E 被电子占据的几率为:(2)式中， ，为玻耳兹曼常数，T 为热力学温度，J/K0381.23k1()FnkTfeJ/K1038.23k6EF 叫做费米能级费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。

杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系图 4 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系图 半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入射光的频率满足(3) PN 结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P 区和 N 区的费米能级达到同一水平图 5 费米能级在同一水平gFEhE7 当在 PN 结上加正向电压 V 时，外电场部分抵消自建场的作用，使 PN 结的势垒下降，N 区的费米能级相对于 P 区升高 eV此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构图 6 双简并能带结构外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比 产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用 N 区的准费米能级来计算 (4)价带顶空穴的占据几率可以用 P 区的准费米能级来计算 (5)价带顶电子占据几率则为 (6)在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是 21()FNEkTfe11()FPEkTfe11()()FNPEkTffe8(7)因此，结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是 N 区和 P 区的准费米能级之差大于禁带的宽度。

§ 2-2-2 发光二极管的工作原理、结构及驱动a) 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 图 7 双异质结半导体发光二极管的结构示意图b) 基本结构图 8 面发光二极管的结构示意图21()()NNfEfgFEE129图 9 边发光型 LED 的结构示意图c) 驱动电路图 10 三种驱动电路示意图§ 2-2-3 LED 的特性一、伏安特性伏安特性即电流电压特性，是发光二极管的基本特性下图是 LED 的伏安特性图10图 11 LED 的伏安特性图二、光谱特性描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长与半强度宽度其峰值波长由材料的禁带宽度决定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，谱线较宽图 12 发光二极管发射光谱特性三、 光束的空间分布垂直于发光平面上，面发光 LED 辐射图呈朗伯分布即 ，半功率点辐射角 边发光型 LED 中，， 。

四、 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所示驱动电流较小时，P-I 曲线的线性较好；电流过大时，cos)(0P 12012/35~211由于 PN 结发热产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减小图 13 出光功率特性§ 2-2-4 LED 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2、 LED 的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以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 的单元体积小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、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4、寿命长，基本上不需要维修可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域二、 应用1、指示灯122、数字、文字及图像显示 3、光源LED 除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。

§2-3　第三节 半导体激光器半导体激光器是基于半导体材料的激光器，有些人在狭义上也称为激光二极管(Lase。