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1
第 2章 电光信息转换第 2章 电光信息转换
将电信号转换为光信号的器件称为光电转换器件 。
本章主要介绍发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、阴极射线管及等离子显示板。
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2第 2章 电光信息转换第 2章 电光信息转换
★ 2.1 发光二极管
★ 2.2 半导体激光器
★ 2.3 液晶显示器
★ 2.4 阴极射线管
★ 2.5 等离子显示上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
3§ 2.1 发光二极管
§ 2.1 发光二极管
§ 2.1.1 半导体光源的物理基础
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
§ 2.1.3 LED的特性
§ 2.1.4 LED的特点及应用上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
4
§ 2.1 发光二极管
§ 2.1 发光二极管
§ 2.1.1 半导体光源的物理基础在物质的原子中，存在许多能级，最低能级 E1称为 基态,能量比基态大的能级
Ei(I=2,3,4… ) 称为 激发态 。
电子在低能级与高能级之间可以有 3 种跃迁,下面以 E1与 E2能级为例进行介绍 。
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5
（ 1） 受激吸收
E2
E1
hv
E2
E1
hv
E2
E1
hv hv
hv
（ 2） 自发辐射
（ 3） 受激辐射上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
6§ 2.1 发光二极管
设在单位物质内,处于低能级 E1和处于高能级 E2的原子数分别为 N1和 N2。 当系统处于热平衡状态时,原子分布遵循玻耳兹曼统计分布
2.1.1-1 kT EEENN 1212 e x p
KJ/10381.1 23k式中，,为玻耳兹曼常数,T为热力学温度。
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7§ 2.1 发光二极管
在热平衡状态下，总是有 。受激吸收速率大于受激辐射速率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为 吸收物质 。
如果,即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物质称为 增益介质
（或 激活介质 ） 。
21 NN?
12 NN?
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8§ 2.1 发光二极管
半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体。
导带价带
E c
E v
E f E g
E g /2
E g /2
能量导带带价
Ec
Ev
Ef
Eg
导带价带
Ec
Ev
Ef
Eg
(a) 本征半导体 (b) N型半导体 (c) P型半导体图 2.1.1-2半导体的能带和电子分布上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
9§ 2.1 发光二极管
根据量子统计理论,在热平衡状态下,
能量为 E的能级被电子占据的概率为费米
-狄拉克分布
2.1.1-2
kT
EE
EP
fe x p1
1)(
fE
称为 费米能级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状态 。
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10§ 2.1 发光二极管
在本征半导体中掺入施主杂质，称为
N型半导体 。
在本征半导体中掺入受主杂质，称为
P型半导体 。
在 P型和 N型半导体组成的 PN结界面上，由于存在多数载流子（电子或空穴）
的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，如图 2.1.1-3 所示。
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11§ 2.1 发光二极管图 2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动内建电场空间电荷区P N
空穴 电子扩散漂移上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
12§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
§ 2.1.2 发光二极管的工作原理、结构及驱动一,工作原理发光二极管 （ light emitting diode,LED）,是利用正向偏置 PN结中电子与空穴的辐射复合发光的,
是自发辐射发光,不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布,也不需要光学谐振腔,发射的是非相干光 。
图 2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图
P-AIxGa1-xAs
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
光输出上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
13
二,基本结构
1,面发光二极管图 2.1.2-2 面发光二极管的结构示意图
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动有源区 圆形金属触点
SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
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2,边发光二极管图 2.1.2-3边发光型 LED的结构示意图
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动金属化层
(用于电接触 )
SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层
(用于电接触 )
条形接触
(确定有源区 )
有源区上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
15
三、驱动电路图 2.1.2-4 LED驱动电路
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
+5V
LED
ReRb2
Rb1
Vin
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16§ 2.1.3 LED的特性
§ 2.1.3 LED的特性一、光谱特性发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图 2.1.3-1所示。
图 2.1.3-1 LED光谱 图 2.1.3-2 LED 的 P-I曲线
1300 波长 /nm
Δλ =70nm相对光强
0 200 400 电流 I /mA
发射光功率
P/mW
面发光边发光
15
10
5
0
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二,光束的空间分布在垂直于发光平面上,面发光 LED辐射图呈朗伯分布,即,半功率点辐射角 。 边发光型 LED，,。
c o s)( 0PP?
120120// 35~25?
§ 2.1.3 LED的特性
三,输出光功率特性
LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率小于 10%。发光二极管的输出光功率特性如图 2.1.3-2所示。驱动电流较小时,P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于 PN结发热产生饱和现象，使 P-I曲线的斜率减小。
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18§ 2.1.4 LED的特点及应用
§ 2.1.4 LED的特点及应用
一,特点
1,LED辐射光为非相干光,光谱较宽,发散角大 。
2,LED的发光颜色非常丰富,通过选用不同的材料,
可以实现各种发光颜色 。 如采用 GaP:ZnO或 GaAaP材料的红色 LED,GaAaP材料的橙色,黄色 LED,以及 GaN
蓝色 LED等 。 而且通过红,绿,蓝三原色的组合,可以实现全色化 。
3,LED的辉度高 。 随着各种颜色 LED辉度的迅速提高,
即使在日光下,由 LED发出的光也能视认 。 正是基于上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
19§ 2.1.4 LED的特点及应用这一优势,在室外用信息板,广告牌,道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大 。
4,LED的单元体积小 。 在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用,再加上低电压,
低电流驱动的特点,作为电子仪器设备,家用电器的指示灯,信号灯的使用范围还会进一步扩大 。
5,寿命长,基本上不需要维修 。 可作为地板,
马路,广场地面的信号光源,是一个新的应用领域 。
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20
二,应用
1,指示灯
2,数字显示用显示器利用 LED进行数字显示,有点矩阵型和字段型两种方式 。
图 2.1.4-1点矩阵型数字显示 图 2.1.4-2 字段型数字显示
§ 2.1.4 LED的特点及应用树脂 反射框引线框架LED芯片上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
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3、平面显示器
LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。
4、光源
LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。
§ 2.1.4 LED的特点及应用
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第 2章 电光信息转换第 2章 电光信息转换
将电信号转换为光信号的器件称为光电转换器件 。
本章主要介绍发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、阴极射线管及等离子显示板。
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★ 2.1 发光二极管
★ 2.2 半导体激光器
★ 2.3 液晶显示器
★ 2.4 阴极射线管
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3§ 2.1 发光二极管
§ 2.1 发光二极管
§ 2.1.1 半导体光源的物理基础
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
§ 2.1.3 LED的特性
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§ 2.1 发光二极管
§ 2.1 发光二极管
§ 2.1.1 半导体光源的物理基础在物质的原子中，存在许多能级，最低能级 E1称为 基态,能量比基态大的能级
Ei(I=2,3,4… ) 称为 激发态 。
电子在低能级与高能级之间可以有 3 种跃迁,下面以 E1与 E2能级为例进行介绍 。
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（ 1） 受激吸收
E2
E1
hv
E2
E1
hv
E2
E1
hv hv
hv
（ 2） 自发辐射
（ 3） 受激辐射上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
6§ 2.1 发光二极管
设在单位物质内,处于低能级 E1和处于高能级 E2的原子数分别为 N1和 N2。 当系统处于热平衡状态时,原子分布遵循玻耳兹曼统计分布
2.1.1-1 kT EEENN 1212 e x p
KJ/10381.1 23k式中，,为玻耳兹曼常数,T为热力学温度。
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7§ 2.1 发光二极管
在热平衡状态下，总是有 。受激吸收速率大于受激辐射速率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为 吸收物质 。
如果,即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种物质时，就会产生放大作用，这种物质称为 增益介质
（或 激活介质 ） 。
21 NN?
12 NN?
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8§ 2.1 发光二极管
半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体。
导带价带
E c
E v
E f E g
E g /2
E g /2
能量导带带价
Ec
Ev
Ef
Eg
导带价带
Ec
Ev
Ef
Eg
(a) 本征半导体 (b) N型半导体 (c) P型半导体图 2.1.1-2半导体的能带和电子分布上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
9§ 2.1 发光二极管
根据量子统计理论,在热平衡状态下,
能量为 E的能级被电子占据的概率为费米
-狄拉克分布
2.1.1-2
kT
EE
EP
fe x p1
1)(
fE
称为 费米能级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状态 。
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10§ 2.1 发光二极管
在本征半导体中掺入施主杂质，称为
N型半导体 。
在本征半导体中掺入受主杂质，称为
P型半导体 。
在 P型和 N型半导体组成的 PN结界面上，由于存在多数载流子（电子或空穴）
的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，如图 2.1.1-3 所示。
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11§ 2.1 发光二极管图 2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动内建电场空间电荷区P N
空穴 电子扩散漂移上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
12§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
§ 2.1.2 发光二极管的工作原理、结构及驱动一,工作原理发光二极管 （ light emitting diode,LED）,是利用正向偏置 PN结中电子与空穴的辐射复合发光的,
是自发辐射发光,不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布,也不需要光学谐振腔,发射的是非相干光 。
图 2.1.2-1双异质结半导体发光二极管的结构示意图
P-AIxGa1-xAs
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
光输出上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
13
二,基本结构
1,面发光二极管图 2.1.2-2 面发光二极管的结构示意图
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动有源区 圆形金属触点
SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
14
2,边发光二极管图 2.1.2-3边发光型 LED的结构示意图
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动金属化层
(用于电接触 )
SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层
(用于电接触 )
条形接触
(确定有源区 )
有源区上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
15
三、驱动电路图 2.1.2-4 LED驱动电路
§ 2.1.2发光二极管的工作原理、结构及驱动
+5V
LED
ReRb2
Rb1
Vin
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16§ 2.1.3 LED的特性
§ 2.1.3 LED的特性一、光谱特性发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图 2.1.3-1所示。
图 2.1.3-1 LED光谱 图 2.1.3-2 LED 的 P-I曲线
1300 波长 /nm
Δλ =70nm相对光强
0 200 400 电流 I /mA
发射光功率
P/mW
面发光边发光
15
10
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17
二,光束的空间分布在垂直于发光平面上,面发光 LED辐射图呈朗伯分布,即,半功率点辐射角 。 边发光型 LED，,。
c o s)( 0PP?
120120// 35~25?
§ 2.1.3 LED的特性
三,输出光功率特性
LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率小于 10%。发光二极管的输出光功率特性如图 2.1.3-2所示。驱动电流较小时,P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于 PN结发热产生饱和现象，使 P-I曲线的斜率减小。
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18§ 2.1.4 LED的特点及应用
§ 2.1.4 LED的特点及应用
一,特点
1,LED辐射光为非相干光,光谱较宽,发散角大 。
2,LED的发光颜色非常丰富,通过选用不同的材料,
可以实现各种发光颜色 。 如采用 GaP:ZnO或 GaAaP材料的红色 LED,GaAaP材料的橙色,黄色 LED,以及 GaN
蓝色 LED等 。 而且通过红,绿,蓝三原色的组合,可以实现全色化 。
3,LED的辉度高 。 随着各种颜色 LED辉度的迅速提高,
即使在日光下,由 LED发出的光也能视认 。 正是基于上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
19§ 2.1.4 LED的特点及应用这一优势,在室外用信息板,广告牌,道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大 。
4,LED的单元体积小 。 在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用,再加上低电压,
低电流驱动的特点,作为电子仪器设备,家用电器的指示灯,信号灯的使用范围还会进一步扩大 。
5,寿命长,基本上不需要维修 。 可作为地板,
马路,广场地面的信号光源,是一个新的应用领域 。
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20
二,应用
1,指示灯
2,数字显示用显示器利用 LED进行数字显示,有点矩阵型和字段型两种方式 。
图 2.1.4-1点矩阵型数字显示 图 2.1.4-2 字段型数字显示
§ 2.1.4 LED的特点及应用树脂 反射框引线框架LED芯片上一张章首 下一张 结束节首目录第 2章 电光信息转换
21
3、平面显示器
LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。
4、光源
LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。
§ 2.1.4 LED的特点及应用
