第二章_發(fā)光器件及其運用

1、一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源。一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源。光源光源一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 按照發(fā)光機(jī)理，光源可以分為如下幾類：按照發(fā)光機(jī)理，光源可以分為如下幾類：熱輻射光源熱輻射光源氣體放電光源氣體放電光源固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器激光器太陽太陽白熾燈、鹵鎢燈白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器黑體輻射器汞燈、熒光燈、鈉燈汞燈、熒光燈、鈉燈氙燈、金屬鹵化物燈氙燈、金屬鹵化物燈氘燈、空心陰極燈氘燈、空心陰極燈場致發(fā)光燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管發(fā)光二極管氣體激光器、固體激光器氣體激光器、固體激光器染料激光器、半導(dǎo)體激光器染料激光器、半導(dǎo)體激光器由物體溫度高于絕對零度而由

2、物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱輻射光源。輻射光源。由于物體在特定環(huán)境下受外由于物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為激發(fā)輻射，其光源被稱為冷激發(fā)輻射，其光源被稱為冷光源。光源。冷光源按激發(fā)方式分可分為冷光源按激發(fā)方式分可分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。電致發(fā)光等。（1 1）輻射效率和發(fā)光效率）輻射效率和發(fā)光效率一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù) 某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的

3、電某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率。功率之比，就是該光源的發(fā)光效率。780e,380vV( )dmvKPP單位為單位為lm/Wlm/W（1 1）輻射效率和發(fā)光效率）輻射效率和發(fā)光效率一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù)光源種類光源種類發(fā)光效率發(fā)光效率光源種類光源種類發(fā)光效率發(fā)光效率普通鎢絲燈普通鎢絲燈8 81818高壓汞燈高壓汞燈30304040鹵鎢燈鹵鎢燈14143030高壓鈉燈高壓鈉燈9090100100普通熒光燈普通熒光燈35356060球形氙燈球形氙燈30304040三基色熒光燈三基

4、色熒光燈55559090金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈60608080（2 2）光譜功率分布）光譜功率分布一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù) 光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為功率分布來描述。若令其最大值為1 1，得到相應(yīng)歸一化的光，得到相應(yīng)歸一化的光譜功率分布，稱為相對光譜功率分布。譜功率分布，稱為相對光譜功率分布。 光源的光譜功率分布通?？煞譃樗姆N情況：線狀光譜、光源的光譜功率分布通?？煞譃樗姆N情況：線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜、混合光譜。帶狀光譜

5、、連續(xù)光譜、混合光譜。（2 2）光譜功率分布）光譜功率分布一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù)( )P0線狀光譜線狀光譜( )P0帶狀光譜帶狀光譜( )P0連續(xù)光譜連續(xù)光譜( )P0混合光譜混合光譜( )P0帶狀光譜帶狀光譜( )P0帶狀光譜帶狀光譜( )P0帶狀光譜帶狀光譜( )P0帶狀光譜帶狀光譜（3 3）空間光強(qiáng)分布）空間光強(qiáng)分布一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù) 對于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不對于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的。若在

6、空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，相同的。若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量長度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點連矢量長度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。線。 在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。度高的方向作為照明方向。（4 4）光源的色溫）光源的色溫一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù) 黑體的溫度決定了它的光輻射特

7、性。對于非黑體輻射，黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于非黑體輻射，它的某些特性常用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一它的某些特性常用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，常用用分布溫度、色溫和相關(guān)色溫表示。般光源，常用用分布溫度、色溫和相關(guān)色溫表示。分布溫度：輻射源在某一波段范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布溫度：輻射源在某一波段范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱該輻射源的分布溫度。那么該黑體的溫度就稱該輻射源的分布溫度。（4 4）光源的色溫）光源的色溫一、光電儀器中的常用光源一、

8、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù)色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫：在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點與某一相關(guān)色溫：在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最接近，則該黑體的溫度稱為溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。該光源的相關(guān)色溫。（4 4）光源的色溫）光源的色溫一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本

9、特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù)光源光源 色溫色溫 北方晴空北方晴空 8000-8500k 8000-8500k 陰天陰天 6500-7500k 6500-7500k 下午日光下午日光 4000k 4000k 鎢絲燈鎢絲燈 2700k 2700k 高壓鈉燈高壓鈉燈 1950-2250k 1950-2250k 蠟燭光蠟燭光 2000k 2000k 高壓汞燈高壓汞燈 3450-3750k 3450-3750k （4 4）光源的色溫）光源的色溫一、光電儀器中的常用光源一、光電儀器中的常用光源 1 1、光源的基本特性參數(shù)、光源的基本特性參數(shù)色溫色溫 光色光色 氣氛效果氣氛效果 5000K 5000K 清涼

10、清涼 ( (帶藍(lán)的白色帶藍(lán)的白色) ) 冷的氣氛冷的氣氛 3300-5000K 3300-5000K 中間中間 ( (白白) ) 爽快的氣氛爽快的氣氛 3300K 3300K 溫暖溫暖 ( (帶紅的白色帶紅的白色) ) 穩(wěn)重的氣氛穩(wěn)重的氣氛 2.2.發(fā)光二極管的基本工作原理與特性發(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)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。 2 2.1.1 .1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理 發(fā)光二極管（即L

11、ED）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.PN1.PN結(jié)注入發(fā)光結(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)。 2.2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(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)。圖為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-132-13（a a）表示）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時小

12、區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向向n n區(qū)擴(kuò)散。區(qū)擴(kuò)散。 對對n n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入?yún)^(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p p區(qū)。區(qū)。這樣，禁帶寬的這樣，禁帶寬的p p區(qū)成為注入源，禁帶窄的區(qū)成為注入源，禁帶窄的n n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-2-1313（b b）。）。由于由于n n區(qū)所發(fā)射的光區(qū)所發(fā)射的光子能量子能量hvhv比比E EG2G2 小小得多，它進(jìn)入得多，它進(jìn)入p p區(qū)不區(qū)不會引起本征吸收而會引起本征吸收而直接透射出去。直接透射出去。2 2.1.2 .1.2 基

13、本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 1. 1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 圖6-3所示為波長0.80.9m的雙異質(zhì)結(jié)GaAsAIGaAs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50m，厚度小于2.5m。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。2.2.邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管 圖6-4所示為波長1.3m的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsPInP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

14、其端面射出。2 2.1.3LED.1.3LED的特性參數(shù)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，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度：對于輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長與躍遷前后的能量差E之間的關(guān)系為hcE。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。 例如例如GsAsGsAs的峰值波長出現(xiàn)在的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV1.

15、1eV，比室溫下的禁，比室溫下的禁帶寬度少帶寬度少0.3eV0.3eV。當(dāng)。當(dāng)GaAsGaAs1x1xP Px x中的中的x x值不同時，峰值波長值不同時，峰值波長在在620620680nm680nm之間變化，譜線半寬度大致為之間變化，譜線半寬度大致為 202030nm30nm。GaPGaP發(fā)紅光的峰值波長在發(fā)紅光的峰值波長在700nm700nm附近，半寬度大約為附近，半寬度大約為100nm100nm。 發(fā)光效率由發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率內(nèi)部量子效率與與外部量子效率外部量子效率決定。內(nèi)部決定。內(nèi)部量子效率在平衡時，電子量子效率在平衡時，電子- -空穴對的激發(fā)率等于非平衡載空穴對的激發(fā)率等于非平衡

16、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又分別決定于載流子壽命r r和和rnrn，其中輻射復(fù)合率與，其中輻射復(fù)合率與1/1/r r成正比，無輻射復(fù)合率為成正比，無輻射復(fù)合率為1/1/rnrn，內(nèi)部量子效率為，內(nèi)部量子效率為 ieoinnn（1 1）光子通過半導(dǎo)體有一部分被吸收）光子通過半導(dǎo)體有一部分被吸收（2 2）有一部分到達(dá)界面后因高折射率產(chǎn)生全反射而）有一部分到達(dá)界面后因高折射率產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收返回晶體內(nèi)部后被吸收（3 3）只有一部分發(fā)射出去）只有一部分發(fā)射出去inexnnex(6-2) C

17、aP紅光發(fā)射效率紅光發(fā)射效率ex很小，最高為很小，最高為15發(fā)綠光的發(fā)綠光的GaP的的ex約為約為0.7對發(fā)紅光的對發(fā)紅光的 GaAs0.6P0.4，其，其ex約為約為0.4對發(fā)紅外光的對發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68Pex約為約為 0.1 2. 2. 時間響應(yīng)特性與溫度特性時間響應(yīng)特性與溫度特性 提高外部量子效率的措施有三條：提高外部量子效率的措施有三條：用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n n2 2 =1.55 =1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；涂敷在發(fā)光二極管上；把晶體表面加工成半球形；把晶體表面加工成半球形；用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶

18、體對光吸收用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。 發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于1s，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。 3. 3. 發(fā)光亮度發(fā)光亮度 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴(kuò)散電流idn之間的關(guān)系為 ReiLdn4. 4. 最大工作電流最大工作電流 在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時，發(fā)光效率不電流增加到一

19、定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加而降低。流的繼續(xù)增加而降低。發(fā)光二極管最大容許功耗為發(fā)光二極管最大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為，則發(fā)光管最大容許的工作電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4） 式中，式中，rd為發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；為發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在較小均為發(fā)光二極管在較小工作電流時的電流和正向壓降。工作電流時的電流和正向壓降。 5. 5. 伏安特性伏安特性 發(fā)光二極管的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電

20、壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。這時正向電流與電壓的關(guān)系為 iioexp(eV/mkT) 在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時m2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢時，m1。因而實際測得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。 6. 6. 壽命壽命 發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達(dá)106h，最長可達(dá)109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。 7. 7. 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 在快速顯示時，標(biāo)志器件對信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時間，即指器件啟亮(