1、上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換1電光信息轉換電光信息轉換 n 將電信號轉換為光信號的器件稱為將電信號轉換為光信號的器件稱為電光轉換器件電光轉換器件 。n 本章主要介紹發光二極管、半導體本章主要介紹發光二極管、半導體激光器、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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換2電光信息轉換電光信息轉換 2.1 發光二極管 2.2 半導體激光器 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束結束節

2、首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換32.1 發光二極管發光二極管n2.1.1 半導體光源的物理基礎半導體光源的物理基礎n2.1.2發光二極管的工作原理、結構及驅動發光二極管的工作原理、結構及驅動 n2.1.3 LED的特性的特性n2.1.4 LED的特點及應用的特點及應用 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換4 2.1 發光二極管發光二極管 在物質的原子中，存在許多能級，最低能在物質的原子中，存在許多能級，最低能級級E1稱為稱為基態基態，能量比基態大的能級，能量比基態大的能級Ei(I=2,3,4) 稱為稱為激發態激發態。 電子在低能級與高能級之間可以有電

3、子在低能級與高能級之間可以有3 種躍種躍遷，下面以遷，下面以E1與與E2能級為例進行介紹。能級為例進行介紹。上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換5（1）受激吸收受激吸收E2E1hvE2E1hvE2E1hvhvhv（2）自發輻射自發輻射（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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換62.1 發光二極管 n 設在單位物質內，處于低能級E1和處于高能級E2的原子數分別為N1和N2。當系統處于熱平衡狀態時，原子分布遵循玻耳茲曼統計分布 2.1.1-1kTEEENN1212expKJ/10381. 123k 式中

4、， ，為玻耳茲曼常數，T為熱力學溫度。 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換72.1 發光二極管n在熱平衡狀態下，總是有 。受激吸收速率大于受激輻射速率。當光通過這種物質時，光強按指數衰減，這種物質稱為吸收物質吸收物質。n如果 ，即受激輻射速率大于受激吸收速率，當光通過這種物質時，就會產生放大作用，這種物質稱為增益介質增益介質（或（或激活介質激活介質）。 21NN 12NN 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換82.1 發光二極管n半導體是由大量原子有序排列構成的共價晶體。 導帶 價帶 Ec Ev Ef Eg Eg

5、/2 Eg/2 能量 導帶帶價EcEvEfEg導帶價帶EcEvEfEg(a) 本征半導體 (b) N型半導體 (c) P型半導體圖2.1.1-2半導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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換92.1 發光二極管n 根據量子統計理論，在熱平衡狀態下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米-狄拉克分布 2.1.1-2 kTEEEPfexp11)(fE稱為費米能級費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據的狀態。 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換102.1 發光二極管n 在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型

6、半導體型半導體 。n 在本征半導體中摻入受主雜質，稱為P型半導體型半導體 。n 在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子（電子或空穴）的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場，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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換112.1 發光二極管圖2.1.1-3 PN 結內建電場的形成及載流子的運動內建電場空間電荷區PN空穴電子擴散漂移上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換12 發光二極管發光二極管（light emitting diode，LED），是利用正向偏置PN結中電子與空穴的輻

7、射復合發光的，是自發輻射發光，不需要較高的注入電流產生粒子數反轉分布，也不需要光學諧振腔，發射的是非相干光。 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換13 利用p型材質(電洞)及n型材質(電子)，通入順向電壓，電子與電洞於pn接面結合而產生光發光原理發光原理上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換14元素表 的 3A 4A 5A 族 將電能轉換為光，也就是對化合物半導體施加電流，透過電子與電洞的結合，過剩的能量會以光的形式釋出，達成發光的效果 上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換16LED晶片種類簡介晶片種類簡介nLED晶片又被稱爲-族晶片，主要是因爲其成份在化學周期表上的A族與VA族的元素：n A-B, Al, Ga, In, Tan VA-N, P, Sn, Ti, BenLED晶片的主要結構可粗分爲基材，PN層及焊墊。n一般紅黃光之基材爲：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藍綠光之基材爲：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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換17晶片種類與發光波長之對照表300500600700800400UVPurpleBlueGreenYellowOrangeRedIRAlInGaPGaAsPInGaNAlGaAsGaPCyan上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換18LED白光的三種發光原理白光的三種發光原理上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換19上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電

10、光信息轉換202.1.2發光二極管的工作原理、結構及驅動 圖2.1.2-1雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖 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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換21n二、基本結構二、基本結構 圖2.1.2-2 面發光二極管的結構示意圖 2.1.2發光二極管的工作原理、結構及驅動有源區 圓形金屬觸點SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙 異 質 結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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換22 圖2.1.2-3邊發光型LE

11、D的結構示意圖 2.1.2發光二極管的工作原理、結構及驅動金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質結熱沉襯底導光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區)有源區上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換23n三、驅動電路三、驅動電路 圖2.1.2-4 LED驅動電路 2.1.2發光二極管的工作原理、結構及驅動+5VLEDReRb2Rb1Vin上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換242.1.3 LED的特性 一、光譜特性一、光譜特性 發光二極管發射的是自發輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，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相對光強 0 200 400 電流I /mA 發 射光 功率P/mW 面發光 邊發光 15105 0上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換25上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換26上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換27n二、二、 光束的空間分布光束的空間分布 在垂直于發光平面上，面發光LED輻射圖呈朗伯分布，即 ，半功率點輻射角 。邊發光型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實際輸出的光子數遠遠少于有源區產生的光子數，一般外微分量子效率小于10%。發光二極管的輸出光功率特性如圖2.1.3-2所示。驅動電流較小時，P-I曲線的線性較好；電流過大時，由于PN結發熱產生飽和現象，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束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換282.1.4 LED的特點及應用 。 ，通過選用不同的材料，可以實現各種發光顏色。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藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現全色化。 隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發出的光也能視認。正是基于上一張上一張章首章首下一張下一張結束結束節首節首目錄目錄第2章 電光信息轉換2