第6章 發(fā)光器件與光電耦合器件ppt課件.ppt

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1、第6章發(fā)光器件與光電耦合器件通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。本章主要介紹目前已得到廣泛應(yīng)用的注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件及光電耦合器件。6.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進(jìn)十年來，發(fā)光二極管的發(fā)

2、光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點(diǎn)。6.1.1發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。1.PN結(jié)注入發(fā)光1.PN結(jié)注入發(fā)光PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖6-1所示。當(dāng)加正偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-13（a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度

3、不相等，當(dāng)加上正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴(kuò)散。對n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-13（b））。例如，禁帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eVp-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2基本結(jié)構(gòu)1.面發(fā)光二極管圖6-3所示為波長

4、0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)GaAs／AIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50μm，厚度小于2.5μm。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120°。2.邊發(fā)光二極管圖6-4所示為波長1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP／InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層

5、低，比周圍其他材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為50～70μm，長度為100～150μm。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向?yàn)?5°～35°，垂直方向?yàn)?20°。6.1.3LED的特性參數(shù)1.發(fā)光光譜和發(fā)光效率LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對強(qiáng)度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件

6、的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度。對于輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長λ與躍遷前后的能量差ΔE之間的關(guān)系為λ＝hc／ΔE。復(fù)合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。例如GsAs的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4和GaP的發(fā)射光譜。當(dāng)GaAs1—xPx中的x值不同時，峰值波長在620～680nm之間變化，譜線半寬度大致為20～30nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大

7、約為100nm。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強(qiáng)度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cd／A（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率在平衡時，電子-空穴對的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率（包括輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合），而復(fù)合率又分別決定于載流子壽命τr和τrn，其中輻射復(fù)合率

8、與1/τr成正比，無輻射復(fù)合率為1/τrn，內(nèi)部量子效率為（6-1）式中，neo為每秒發(fā)射出的光子數(shù),ni為每秒注入到器件的電子數(shù),τr是輻射復(fù)合的載流子壽命,τrn是無輻射復(fù)合的載流子壽命。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射。必須指出，