半导体发光二极管 百科内容来自于: 百度百科

半导体发光二极管和半导体激光器类似,也是一个PN结,也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED,是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层,以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区,其厚度为0.1~0.2μm左右。

简介

半导体发光二极管

半导体发光二极管

半导体发光二极管和半导体激光器类似,也是一个PN结,也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED,是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层,以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区,其厚度为0.1~0.2μm左右。
半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格,而且无谐振腔。所以,所发出的光不是激光,而是荧光LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下,N区的电子将向正方向扩散,进入有源层,P区的空穴也将向负方向扩散,进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用,而被封闭在有源层内,就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子,经跃迁与空穴复合时,将产生自发辐射光。

优点

半导体发光二极管

半导体发光二极管

半导体发光二极管的结构简单,体积小,工作电流小,使用方便,成本低,所以在光电系统中的应用极为普遍。
在正向偏置下,半导体PN结或与其类似的结构能够发出可见光或近红外光,这种把电能直接转换为光能的器件称为发光二极管,简称LED
发光是物体内部以某种方式储存的能量转化为光辐射的过程。发光物体的光辐射是材料中受激发的电子跃迁到基态时产生的。半导体(主要是元素周期表中Ⅲ族和Ⅴ族元素构成的化合物半导体)发光二极管属于电流激发的电致发光器件。
电致发光现象发现于1923年,当时并没有引起人们的注意。随着近代技术的发展,对发光器件提出了新的要求,希望发光管简单、可靠、寿命长、价格低、小型化。所以自60年代开始电致发光的研究非常活跃。

发光机理

原子、分子和某些半导体材料,能分别吸收和放出一定波长的光或电磁波。根据固体能带论,半导体中电子的能量状态分为价带和导带,当电子从一个带中能态E1跃迁(转移)到另一带中的能态E2时,就会发出或吸收一定频率(υ)的光。υ与能量差(ΔE=E2-E1)成正比,即
υ=ΔE/h (Hz)
此式称为玻尔条件。式中h=6.626×10-34J·s。当发光二极管工作时,在正偏下,通常半导体的空导带被通过结向其中注入的电子所占据,这些电子与价带上的空穴复合,放射出光子,这就产生了光。发射的光子能量近似为特定半导体的导带与价带之间的带隙能量。这种自然发射过程叫作自发辐射复合(图1)。显然,辐射跃迁是复合发光的基础。注入电子的复合也可能是不发光的,即非辐射复合。在非辐射复合的情况下,导带电子失去的能量可以变成多个声子,使晶体发热,这种过程称为多声子跃迁;也可以和价带空穴复合,把能量交给导带中的另一个电子,使其处于高能态,再通过热平衡过程把多余的能量交给晶格,这种过程称为俄歇复合。随着电子浓度的提高,这种过程将变得更加重要。带间跃迁时,辐射复合和非辐射复合的两种过程相互竞争。有的发光材料表现为辐射复合占优势。

LED结构

LED的结构依应用和材料掺杂情况而异。用于可见光指示和显示方面的LED,要求结构最佳化以获得高效率;用于光通信方面的LED,需要有高辐射度以把最大功率耦合入纤维,还希望有较大的调制能力。用作指示灯和显示器的LED的基本结构见图2。
半导体发光二极管
光通信用LED的发射波长必须在光纤呈现低损耗的窗口区。0.8~0.9微米的GaAlAs-GaAs发光管和1.3~1.6微米的InGaAsP-InP发光管,波长分别落在石英纤维的第一和第二个透明窗口。为了与纤维耦合,光可以从LED的一面或一边提取。

对LED的要求

①提高内量子效率,要求尽量减少晶体缺陷和有害杂质;②提高外量子效率,结构要便于光收集、提取和发射;③可以用携载信息的输出电流直接对光输出进行高速率的调制;④结构要有利于散热,减少因结温上升引起光功率下降;⑤要有高的辐射度,因此必须应用直接带隙半导体和能够在高电流密度下驱动的结构。

LED的特点

在低压(低于2伏)、小电流(几十毫安至200毫安)下工作,功耗小、体积小、可直接与固体电路连接使用;稳定、可靠、寿命长(105~106小时);调制方便,通过调制LED的电流来调制光输出;光输出响应速度比较快(1~100兆赫);价格便宜。  应用 LED可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等。
LED光通量的计算
φ=2πÌ(1-cos½α)

指示灯

用作指示灯的LED有两种结构:径向引线结构和轴向引线结构。前者尺寸小、价格低,适宜安装在印刷电路板上;后者既可安装在仪器面板上,又可直接安装在印制线路板上。专为印制线路板设计的最小的LED指示灯,可与晶体管集成电路兼容,用来指示电路状态和故障。LED可作为电视频道调谐指示器,还可用于高保真度收音机和录音机以及汽车、飞机和机电工业。大多数指示灯是单管芯,新发展的还有双色灯和多色灯。

文字数字

LED用作袖珍计算器。数字手表和电子仪表的数字显示,一般为七段显示。但对台式计算器,更灵活的显示方式(产生全文字-数字)是35点矩阵,其中LED装成7×5阵列。35点矩阵价格较高、驱动电路复杂,其应用不及七段显示器件广泛。  光耦合器件  GaAs(或GaAsP)LED和Si-PN结探测器相结合,可以制成许多新型器件,进行光-电和电-光的传递,通常称为光耦合器件。熟知的是光耦合隔离器,它高速、可靠并可提供高至2.5千伏的电隔离。GaAsLED与Si晶体管相结合制成穿孔卡片或磁带的光电子读数头,比钨丝灯径向分布可靠、稳定、抗震和功耗小。采用光耦合器件的汽车点火装置,省油、易起动、工作平稳。GaAlAs负阻发光二极管可用作发光开关、可控发光整流器和光波长转换等。

光源

通信、信息处理和光耦合等应用要求LED有良好的方向性。适于光通信应用的两种主要光源是高辐射度LED半导体注入激光器LED稳定、可靠、寿命长、驱动电路简单、功率对温度不敏感,广泛用作中、短距离(铁路、电力、交通、公安等)光通信系统的光源。GaAlAs-GaAs面发光管的带宽为10~20兆赫,适用于二次群光通信系统(可传输120路电话),传输距离大于5公里。GaAlAs-GaAs快速边发光管带宽50~100兆赫,适用于三级群光通信系统(可传输480路电话),传输距离数公里。InGaAsP-InP LED可用于更长距离(大于10公里)的传输系统。此外,LED还用于信息处理、图像传输、测距和传感等方面。
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