1、上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換1電光信息轉(zhuǎn)換電光信息轉(zhuǎn)換 n 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的器件稱為將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的器件稱為電光轉(zhuǎn)換器件電光轉(zhuǎn)換器件 。n 本章主要介紹發(fā)光二極管、半導(dǎo)體本章主要介紹發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、液晶顯示器、陰極射線管及等激光器、液晶顯示器、陰極射線管及等離子顯示板。離子顯示板。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換2電光信息轉(zhuǎn)換電光信息轉(zhuǎn)換 2.1 發(fā)光二極管 2.2 半導(dǎo)體激光器 2.3 液晶顯示器 2.4 陰極射線管 2.5 等離子顯示上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)

2、首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換32.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管n2.1.1 半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)n2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng) n2.1.3 LED的特性的特性n2.1.4 LED的特點(diǎn)及應(yīng)用的特點(diǎn)及應(yīng)用 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換4 2.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)級(jí)E1稱為稱為基態(tài)基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(I=2,3,4) 稱為稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。 電子在低能級(jí)與高能級(jí)之間可以有電

3、子在低能級(jí)與高能級(jí)之間可以有3 種躍種躍遷，下面以遷，下面以E1與與E2能級(jí)為例進(jìn)行介紹。能級(jí)為例進(jìn)行介紹。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換5（1）受激吸收受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發(fā)輻射自發(fā)輻射（3）受激輻射受激輻射上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換62.1 發(fā)光二極管 n 設(shè)在單位物質(zhì)內(nèi)，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，原子分布遵循玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布 2.1.1-1kTEEENN1212expKJ/10381. 123k 式中

4、， ，為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換72.1 發(fā)光二極管n在熱平衡狀態(tài)下，總是有 。受激吸收速率大于受激輻射速率。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)。n如果 ，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為增益介質(zhì)增益介質(zhì)（或（或激活介質(zhì)激活介質(zhì)）。 21NN 12NN 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換82.1 發(fā)光二極管n半導(dǎo)體是由大量原子有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。 導(dǎo)帶 價(jià)帶 Ec Ev Ef Eg Eg

5、/2 Eg/2 能量 導(dǎo)帶帶價(jià)EcEvEfEg導(dǎo)帶價(jià)帶EcEvEfEg(a) 本征半導(dǎo)體 (b) N型半導(dǎo)體 (c) P型半導(dǎo)體圖2.1.1-2半導(dǎo)體的能帶和電子分布上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換92.1 發(fā)光二極管n 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米-狄拉克分布 2.1.1-2 kTEEEPfexp11)(fE稱為費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)，用來描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換102.1 發(fā)光二極管n 在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型

6、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 。n 在本征半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 。n 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子（電子或空穴）的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場，如圖2.1.1-3 所示。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換112.1 發(fā)光二極管圖2.1.1-3 PN 結(jié)內(nèi)建電場的形成及載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴(kuò)散漂移上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換12 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻

7、射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換13 利用p型材質(zhì)(電洞)及n型材質(zhì)(電子)，通入順向電壓，電子與電洞於pn接面結(jié)合而產(chǎn)生光發(fā)光原理發(fā)光原理上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換14元素表 的 3A 4A 5A 族 將電能轉(zhuǎn)換為光，也就是對(duì)化合物半導(dǎo)體施加電流，透過電子與電洞的結(jié)合，過剩的能量會(huì)以光的形式釋出，達(dá)成發(fā)光的效果 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換15

8、另外 還有比較特別的白光LED上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換16LED晶片種類簡介晶片種類簡介nLED晶片又被稱爲(wèi)-族晶片，主要是因爲(wèi)其成份在化學(xué)周期表上的A族與VA族的元素：n A-B, Al, Ga, In, Tan VA-N, P, Sn, Ti, BenLED晶片的主要結(jié)構(gòu)可粗分爲(wèi)基材，PN層及焊墊。n一般紅黃光之基材爲(wèi)：GaAs(As Type)、GaP(Ts Type)n PN層：GaP(又稱二元晶片)n GaAsP、AlGaAs(三元晶片)n AlInGaP(四元晶片)n 焊墊：金墊、鋁墊n藍(lán)綠光之基材爲(wèi)：Al2O3(又稱Sapphi

9、re等寶石)n PN層：GaN、InGaNn 焊墊：金墊、鋁墊上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換17晶片種類與發(fā)光波長之對(duì)照表300500600700800400UVPurpleBlueGreenYellowOrangeRedIRAlInGaPGaAsPInGaNAlGaAsGaPCyan上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換18LED白光的三種發(fā)光原理白光的三種發(fā)光原理上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換19上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電

10、光信息轉(zhuǎn)換202.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng) 圖2.1.2-1雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光輸出上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換21n二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu) 圖2.1.2-2 面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)有源區(qū) 圓形金屬觸點(diǎn)SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙 異 質(zhì) 結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換22 圖2.1.2-3邊發(fā)光型LE

11、D的結(jié)構(gòu)示意圖 2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導(dǎo)光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換23n三、驅(qū)動(dòng)電路三、驅(qū)動(dòng)電路 圖2.1.2-4 LED驅(qū)動(dòng)電路 2.1.2發(fā)光二極管的工作原理、結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)+5VLEDReRb2Rb1Vin上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換242.1.3 LED的特性 一、光譜特性一、光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長的選擇，譜線較寬，如圖2.1.3-1所

12、示。 圖2.1.3-1 LED光譜 圖2.1.3-2 LED 的P-I曲線1300 波長/nm=70nm相對(duì)光強(qiáng) 0 200 400 電流I /mA 發(fā) 射光 功率P/mW 面發(fā)光 邊發(fā)光 15105 0上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換25上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換26上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換27n二、二、 光束的空間分布光束的空間分布 在垂直于發(fā)光平面上，面發(fā)光LED輻射圖呈朗伯分布，即 ，半功率點(diǎn)輻射角 。邊發(fā)光型LED， ， 。cos)(0PP

13、120120/35252.1.3 LED的特性n三、三、 輸出光功率特性輸出光功率特性 LED實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率小于10%。發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖2.1.3-2所示。驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，P-I曲線的線性較好；電流過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換282.1.4 LED的特點(diǎn)及應(yīng)用 。 ，通過選用不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍(lán)色LED等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)現(xiàn)全色化。 隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第2章 電光信息轉(zhuǎn)換2