第四章发光与耦合器件.ppt

第四章 发光与耦合器件 主要内容 发光二极管的结构与工作原理 激光的产生 半导体激光器＆氦氖激光器 光电耦合器件 重点内容 发光二极管的结构与工作原理 半导体激光器 难点内容 激光的产生 一、发光二极管的结构与工作原理 3、制作材料 （1）直接带（直接跃迁）材料：GaAs、GaN、ZnSe等。 （2）间接带（间接跃迁）材料：GaP （3）混晶：GaAs1-xPx 4、特点 体积小，耐冲击，寿命长，功耗低，响应快，可靠性高，颜色鲜明＆易与集成电路匹配等。 二、特性参数 （一）效率 （1）用于非显示 功率效率：输入的电功率转换成辐射的功率的效率。 量子效率：注入载流子复合而产生的光量子效率，可分为内量子效率＆外量子效率。 内量子效率：辐射复合所产生的光子数与激发时注入的电子空穴对数之比。 外量子效率：射出光子数与注入电子空穴对数之比。 （2）用于显示 照明效率：辐射功率转换成光通量的效率。 流明效率：消耗单位功率所得到的光通量。 （2）发光光谱 （三）出光特性 （五）发光亮度与电流的关系 （六）寿命 发光二极管的亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。一般可达十万个小时。 随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。它与工作电流密度有关，随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。 （七）响应时间 标志器件对信息反应速度的物理量。即指器件启亮与熄灭时间的延迟。发光二极管的响应时间一般很短。 三、应用 1、数字、文字以及图像显示 2、指示、照明 单个发光二极管可在仪器指示灯，示波器标尺，收音机刻度及钟表中的文字照明等。目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。 3、光源 多用于光纤通信与光纤传感器中。 4、光电开关、报警、遥控＆耦合 四、国外几种半导体发光二极管的主要参数 第二节 激光器 一、激光的产生 （一）受激辐射 （二）粒子数反转 在激光物质中，外来的光子可以引起受激辐射，也可能摆受激吸收，而产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称之为粒子数反转。 方法： 固体激光器：光谱适当地强光灯； 气体激光器：气体电离； 半导体激光器：注入载流子。 （三）共振腔（增益超过损耗，产生激光振荡） 2、纵模频率（共振频率） 共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波叫做共振腔的纵模。 其频率称作纵模频率： 二、激光器的类型 固体激光器：一般采用光激励，功率大，但效率低，多模输出，光的相干性较差，常用于工业加工，如打孔，焊接等； 气体激光器：一般采用电激发，效率高，寿命长，单模输出，光的相干性较高，常用于精密测量，全息照相等； 液体激光器：可调谐，用在光谱学中； 半导体激光器：小巧，耐用，简单，常用于光通信，光信息存储等。 三、气体激光器 1、一般结构 2、氦氖激光器 发出3种波长的谱线：0.6328um(桔红色),1.15um,3.39um； 工作物质为氦氖混合气； 优点： 单色性好，谱线宽度只有10－17m，相干长度达几十公里； 方向性强，光束发散角很小； 结构简单，稳定性好，性价比高。 四、固体激光器 1、一般结构 第三节 光电耦合器件 一、光电耦合器件的含义＆特点 P-AlxGa1-xAs P-GaAs N-GaAs 异质结 PN结 结构图 · · · · · · · · · · · · · · · · · · 电子 空穴 N-GaAs P-GaAs P-AlxGa1-xAs 2ev 1.5ev 能带图 单异质结激光器 分布反转区 低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为8000A/cm2，但在温度变化下，阈值随温度变化小，在室温下实现脉冲振荡。 （2）双异质结激光器 在GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs，加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAs＆P-AlxGa1-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在地空穴注入现象，使工作区电子，空穴浓度加大，复合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000～3000A/cm2，实现了室温下的连续振荡，且随温度变化也较小。其结构图＆能带图如下： P-AlxGa1-xAs N-AlxGa1-xAs GaAs 异质结 异质结 N GaAs P 空穴 电子 结构图 能带图 双异质结激光器 5、分布反馈（DFB）半导体激光器 （1）结构（动态单纵模激光器） （2）光栅结构 （3）DF