发光器件与光电耦合器

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1、第6章发光器件与光电耦合器件通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为热辐射，后者称为激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件及光电耦合器件。6.1发光二极管的基本工作原理与特性1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了

2、很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。6.1.1发光二极管的发光机理发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。1.PN结注入发光1.PN结注入发光PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图6-1所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。2.异质结注入发光为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a）表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区

3、的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-13（b））。例如，禁带宽EG2=1.32eV的p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eVp-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。由于n区所发射的光子能量hv比EG2小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2基本结构1.面发光二极管图6-3所示为波长0.8～0.9μm的双异质结GaAs／AIGaAs面发光型LED的

4、结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50μm，厚度小于2.5μm。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，周围用粘合材料加固，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120°。2.边发光二极管图6-4所示为波长1.3μm的双异质结InGaAsP／InP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N型AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面

5、射出。为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为50～70μm，长度为100～150μm。边发光LED的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为25°～35°，垂直方向为120°。6.1.3LED的特性参数1.发光光谱和发光效率LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。对于辐射跃迁所发射的光子

6、，其波长λ与跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为λ＝hc／ΔE。复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽Eg。因此，峰值波长由材料的禁带宽度决定。例如GsAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。图6-5给出了GaAs0.6Po.4和GaP的发射光谱。当GaAs1—xPx中的x值不同时，峰值波长在620～680nm之间变化，谱线半宽度大致为20～30nm。GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.2~0.3nm/℃的比例向长波方向移动

7、。发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位lm/W；也有人把光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为cd／A（坎/安）。GaAs红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命τr和τrn，其中辐射复合率与1/τr成正比，无辐射复合率为1/τrn，内部量子效率为（6-1）式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器件的电子数,τr是辐射复合的载流子

8、寿命,τrn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子发射。必须指出，