第4章发光二极管(LED)案例.ppt

【解】 少子浓度为 扩散长度为： 【例题3.2】 GaAs材料制作的LED，其参数与例题3.1中相同，假设注入的总的电流为0.35mA，辐射效率为0.5。 （1）请计算此LED产生的光子流； （2）GaAs带隙为1.43 eV，计算产生的光功率。 【解】 注入的电子电流为 产生的光子流为 IV. 外量子效率 外量子效率表征的是器件的总的发光效率，也称为表观效率，即器件从外界来看的总发光效率。 1. 出光效率 定义： 指从发光面出射的光子数占发光区产生的总的光子数的比例。发光区产生的光子并非都能出射，这是因为在半导体材料中存在多种导致光子损耗的因素： 发光区产生的光子需要穿过一定厚度的材料才能到达出射面，在此过程中材料会吸收光子，产生电子-空穴对； 到达出射面的光子，由于界面的菲涅尔反射，有一部分光子无法出射，形成菲涅尔反射损耗； 在出射界面处，若入射角大于临界角，会发生全反射，因而只有有限角度范围内的光子能够出射。 2. 提高出光效率的措施 （1）尽量减小吸收损耗； 容易想到的思路是使用吸收系数小的材料，如间接带隙材料，但这不是好的办法，因为间接带隙材料辐射效率很低； 可以考虑减小吸收层的厚度，让发光区尽量靠近表面，但表面陷阱密度高，引起的复合属于非辐射复合，造成器件发光效率下降； 有效的方法是使用异质结结构，限制层材料带隙比发光区材料带隙更大，相对于发光区的光子而言是透明的，无吸收。 （2）降低菲涅尔损耗； + n 界面处的反射率为R，这种反射损耗称为菲涅尔损耗。 对于GaAs与空气之间的界面： 两种介质的折射率相差越大，界面处的菲涅尔损耗就越高。降低菲涅尔损耗的措施：在界面处加上一个透明的电介质罩，尽量减小两种介质的折射率差。 例如，如果用折射率为1.6的透明材料在GaAs光源外部制作电介质罩，其菲涅尔损耗将从33%降低到15%。 （3）降低表面全反射损耗； 在出射面，如果入射光角度大于临界角，光波会以全反射的形式被反射回器件内部而不是从界面辐射出去。这种损耗称为全反射损耗。 为全反射临界角。 例如，对于GaAsP材料制作的LED： 3. 耦合效率 光源发出的光波经过调制变成携带信息的光信号，再耦合进光纤，才能在光纤中以全反射的形式传输。要提高耦合效率，就需要设计更好的光源结构，或者采用合适的耦合结构，使光源发出的光波更好地耦合进光纤。 光纤的全反射角为： 其中An为光纤的数值孔径，光源与光纤的最大耦合效率为： 【例题3.3】 光束由GaAs材料向空气入射，计算界面处的反射率和全反射角；如果光束是从GaAs向折射率为1.5的玻璃介质入射，计算其反射率和全反射角。 若空气介质换为玻璃，反射率和全反射角分别为： 结论：采用电介质罩结构，可有效降低菲涅尔损耗和全反射损耗。 【例题3.4】 一个出射光能分布符合余弦规律的LED，出射光束耦合进光纤，光纤纤芯折射率1.5，包层折射率1.4，计算光纤的最大接收角和光源与光纤的最大耦合效率。 即：LED发出的光波中，最多只有6%能够耦合进光纤。 V. 先进的LED结构 1. 双异质结LED 双异质结LED：使用大带隙材料的限制层将发光区与出射面隔开，一方面光子出射过程中穿过限制层时不会被吸收；另一方面，可使发光区远离表面缺陷，提高发光效率。 中间发光区称为有源区或者激活区，厚度为0.1-0.2um； 有源区材料(GaAs)带隙比限制层材料(AlGaAs)带隙小； 异质结的生成需要外延生长技术。 双异质结结构可使注入的电子和空穴被两侧势垒有效束缚在中间有源区，使有源区汇聚了较高浓度的载流子，提高了注入效率。无论是电子电流还是空穴电流都是有效注入，都对发光有贡献。 2. 边辐射LED 限制层(将载流子限制在有源区) 背反射镜 (减少光损耗) 光波 ①注入的电流被局限在一个带状区域内；②有源区两侧的限制层折射率比有源区低。使光束集中在一个较小区域内出射，光能集中，且由于两侧限制层形成类似平板波导的作用，光束出射时发散角较小，大部分能量集中在较小的锥形角度内，使其与光纤之间的耦合效率较高。 有源区两侧的限制层材料的带隙比有源区材料带隙小，形成势垒作用，对载流子有较强的限制，使载流子被束缚在有源区，有源区集中了较高的载流子浓度，提高了注入效率。其中P区一侧形成了电子的势垒，N区一侧形成了空穴的势垒。 限制层材料折射率比有源区折射率低，相当于平板波导，光束在界面易形成全反射，对光束有较强的限制作用，使光能集中在较小区域内出射。 3. 面辐射激光器 通过蚀刻在LED表面形成小孔； 将裸光纤插入小孔，用环氧树脂固定，直接与LED耦合； 光束出射后直接耦合进光纤