第5章发光器件与光控器件.pptVIP

第五章 发光器件与光控器件 下面主要介绍激光器和半导体发光二极管这两种发光器件。 1、激光器 下面简要介绍两种激光器的工作过程和特点 1)氦氖激光器 氦氖激光器的工作物质是氦氖混合气，利用气体电离的方法使粒子数反转。主要发光物质是氖气。但是如果只使用氖气，电离电压必须很高，所以要掺入适量的氦，首先使氦气电离，然后利用氦气电离时产生的电子去电离氖气。 2)注入式半导体激光器 注入式半导体激光器的基本结构就是一个PN结，为了产生激光。半导体要进行重掺杂，杂质浓度为 ～ 。在这样高的杂质浓度下，PN结的能带结构如下图a所示。当给PN结加以正电压（P端接高电位）时，PN结的能带则变为图b的形式。 注入式半导体激光器的工作过程如下： 加外电源使PN结进行正偏置。正向电流达到一定程度时，PN结区即发生导带对于价带的粒子数反转。 这时，导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，往返于半导体之间。 通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光放大）。受激辐射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射。如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐振腔两端发射出激光。 制作半导体激光器的材料多为 ，发光波长为800～900nm，(随x而变化），谱线宽度约0．3～1nm。有些激光器为了使激光从芯片的一端发出，而在芯片的另一端常涂以金或银的薄作为反射膜。 半导体激光器的优点是，电光转换效率高，体积小，结构稳定，使用方便。因此多用作便携式光源。此外，使用半导体激光泵浦倍频晶体产生蓝绿色激光，拓展了广阔的应用前景。 2、半导体发光二极管 半导体发光二极管和注入式半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。由于它的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。 1)发光二极管的发光原理 ??? 发光二极管的发光原理同样可以用前图PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 ，即 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，例如，有的具有很复杂的能带结构，相应的还有间接跃迁辐射等，因此有各种各样的发光二极管。 2)发光二极管的主要特性 ? （1）伏安特性 (2)发光亮度 ??? 发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的（如图给出的是各种发光二极管的光出射度与电流密度关系），由图可见，一般管的发光亮度都与电流密度成正比例，只有”GaP红”的发光亮度略有随电流密度的增加而趋于饱和的现象。亮度正比于电流密度这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下，获得很高的亮度。 （3）光谱特性 （4）温度特性 ???温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。 （5）时间响应 ??? 这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、空度比与响应时间的关系。 ? （6）寿命 ??? 发光二极管的寿命都很长，在电流密度j＝1A/ 的情况下，可达 h以上。不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。 3)发光二极管的使用要点 (1)开启电压 ???发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类似。只是正向开启电压一般都比普通的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。 (2)温度特性 ???利用发光二极管和硅的受光器件进行组合使用时，应注意到二者的温度特性是相反的。温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。所以使用时，应把二者放到一起考虑，注意其组合后的整体温度特