評論(0

半導體發光二極體

標籤:電子半導體照明電子元器件發光二級管

半導體發光二極體和半導體激光器類似,也是一個PN結,也是利用外電源向PN結注入電子來發光的。半導體發光二極體記作LED,是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層,以及中間的由雙異質結構成的有源層組成。有源層是發光區,其厚度為0.1~0.2μm左右。

1簡介

半導體發光二極體

  半導體發光二極體

半導體發光二極體和半導體激光器類似,也是一個PN結,也是利用外電源向PN結注入電子來發光的。半導體發光二極體記作LED,是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層,以及中間的由雙異質結構成的有源層組成。有源層是發光區,其厚度為0.1~0.2μm左右。
半導體發光二極體的結構公差沒有激光器那麼嚴格,而且無諧振腔。所以,所發出的光不是激光,而是熒光。LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下,N區的電子將向正方向擴散,進入有源層,P區的空穴也將向負方向擴散,進入有源層。進入有源層的電子和空穴由於異質結勢壘的作用,而被封閉在有源層內,就形成了粒子數反轉分佈。這些在有源層內粒子數反轉分佈的電子,經躍遷與空穴複合時,將產生自發輻射光。

2優點

半導體發光二極體

  半導體發光二極體

半導體發光二極體的結構簡單,體積小,工作電流小,使用方便,成本低,所以在光電系統中的應用極為普遍。
在正向偏置下,半導體PN結或與其類似的結構能夠發出可見光或近紅外光,這種把電能直接轉換為光能的器件稱為發光二極體,簡稱LED。
發光是物體內部以某種方式儲存的能量轉化為光輻射的過程。發光物體的光輻射是材料中受激發的電子躍遷到基態時產生的。半導體(主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素構成的化合物半導體)發光二極體屬於電流激發的電致發光器件。
電致發光現象發現於1923年,當時並沒有引起人們的注意。隨著近代技術的發展,對發光器件提出了新的要求,希望發光管簡單、可靠、壽命長、價格低、小型化。所以自60年代開始電致發光的研究非常活躍。

3發光機理

原子、分子和某些半導體材料,能分別吸收和放出一定波長的光或電磁波。根據固體能帶論,半導體中電子的能量狀態分為價帶和導帶,當電子從一個帶中能態E1躍遷(轉移)到另一帶中的能態E2時,就會發出或吸收一定頻率(υ)的光。υ與能量差(墹E=E2-E1)成正比,即
υ=墹E/h (Hz)
此式稱為玻爾條件。式中h=6.626×10-34J·s。  當發光二極體工作時,在正偏下,通常半導體的空導帶被通過結向其中注入的電子所佔據,這些電子與價帶上的空穴複合,放射出光子,這就產生了光。發射的光子能量近似為特定半導體的導帶與價帶之間的帶隙能量。這種自然發射過程叫作自發輻射複合(圖1)。顯然,輻射躍遷是複合發光的基礎。注入電子的複合也可能是不發光的,即非輻射複合。在非輻射複合的情況下,導帶電子失去的能量可以變成多個聲子,使晶體發熱,這種過程稱為多聲子躍遷;也可以和價帶空穴複合,把能量交給導帶中的另一個電子,使其處於高能態,再通過熱平衡過程把多餘的能量交給晶格,這種過程稱為俄歇複合。隨著電子濃度的提高,這種過程將變得更加重要。帶間躍遷時,輻射複合和非輻射複合的兩種過程相互競爭。有的發光材料表現為輻射複合佔優勢。

4LED結構

LED的結構依應用和材料摻雜情況而異。用於可見光指示和顯示方面的LED,要求結構最佳化以獲得高效率;用於光通信方面的LED,需要有高輻射度以把最大功率耦合入纖維,還希望有較大的調製能力。用作指示燈和顯示器的LED的基本結構見圖2。
半導體發光二極體
光通信用 LED的發射波長必須在光纖呈現低損耗的窗口區。0.8~0.9微米的GaAlAs-GaAs發光管和1.3~1.6微米的InGaAsP-InP發光管,波長分別落在石英纖維的第一和第二個透明窗口。為了與纖維耦合,光可以從LED的一面或一邊提取。
LED的特點
在低壓(低於2伏)、小電流(幾十毫安至200毫安)下工作,功耗小、體積小、可直接與固體電路連接使用;穩定、可靠、壽命長(105~106小時);調製方便,通過調製LED的電流來調製光輸出;光輸出響應速度比較快(1~100兆赫);價格便宜。  應用 LED可用作指示燈、文字-數字顯示、光耦合器件、光通信系統光源等。
LED光通量的計算
φ=2πÌ(1-cos½α)

5指示燈

用作指示燈的LED有兩種結構:徑向引線結構和軸向引線結構。前者尺寸小、價格低,適宜安裝在印刷電路板上;後者既可安裝在儀器面板上,又可直接安裝在印製線路板上。專為印製線路板設計的最小的LED指示燈,可與晶體管和集成電路兼容,用來指示電路狀態和故障。LED可作為電視頻道調諧指示器,還可用於高保真度收音機和錄音機以及汽車、飛機和機電工業。大多數指示燈是單管芯,新發展的還有雙色燈和多色燈。

6文字數字

LED用作袖珍計算器。數字手錶和電子儀錶的數字顯示,一般為七段顯示。但對台式計算器,更靈活的顯示方式(產生全文字-數字)是35點矩陣,其中LED裝成7×5陣列。35點矩陣價格較高、驅動電路複雜,其應用不及七段顯示器件廣泛。  光耦合器件  GaAs(或GaAsP)LED和Si-PN結探測器相結合,可以製成許多新型器件,進行光-電和電-光的傳遞,通常稱為光耦合器件。熟知的是光耦合隔離器,它高速、可靠並可提供高至2.5千伏的電隔離。GaAsLED與Si晶體管相結合製成穿孔卡片或磁帶的光電子讀數頭,比鎢絲燈徑向分佈可靠、穩定、抗震和功耗小。採用光耦合器件的汽車點火裝置,省油、易起動、工作平穩。GaAlAs負阻發光二極體可用作發光開關、可控發光整流器和光波長轉換等。

7光源

通信、信息處理和光耦合等應用要求LED有良好的方向性。適於光通信應用的兩種主要光源是高輻射度LED和半導體注入激光器。LED穩定、可靠、壽命長、驅動電路簡單、功率對溫度不敏感,廣泛用作中、短距離(鐵路、電力、交通、公安等)光通信系統的光源。GaAlAs-GaAs面發光管的帶寬為10~20兆赫,適用於二次群光通信系統(可傳輸120路電話),傳輸距離大於5公里。GaAlAs-GaAs快速邊發光管帶寬50~100兆赫,適用於三級群光通信系統(可傳輸480路電話),傳輸距離數公里。InGaAsP-InP LED可用於更長距離(大於10公里)的傳輸系統。此外,LED還用於信息處理、圖像傳輸、測距和感測等方面。
上一篇[小楯衛]  

相關評論

同義詞:暫無同義詞