光电子器件总复习

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1、在绝对零度，可以被电子填满的最高能带形成价带。价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整个半导体材料中自由移动的能带，称为导带。对半导体而言，价带与导带之间由禁带相隔。1.1.1半导体物理基础Eg=Ec-Ev半导体的能带结构简图本征半导体：本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导体材料。由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子被激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度相等。1.1.1半导体物理基础1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴它们是成

2、对出现的2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动由此我们可以看出：本征半导体：1.1.2半导体发光一、辐射跃迁：半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁时，以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。跃迁是电子-空穴对复合同时考虑辐射跃迁过程和非辐射跃迁过程时，则有：发光效率：高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命。1.

3、1.2半导体发光N为高能态电子数，τR=A-1为高能态辐射寿命一、GaAsGaAs是一种重要的III-V族化合物半导体，典型的直接跃迁型发光材料。直接跃迁发射的光子能量在1.42ev左右，相应波长在873nm附近，属于近红外波段。GaAs发光二级管主要是在P区发光，原因在于注入电子的迁移率远高于空穴的迁移率。1.2.1典型半导体发光材料由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。1.发光二极管的

4、核心是PN结，构成PN结的材料为直接带隙材料。2.当加正向偏置时势垒下降，p区和n区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。一、工作原理3.当注入正向电流时，注入结区的非平衡载流子在扩散过程中自发辐射发出非相干光。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，也不需要粒子数反转。1.3.2基本原理及结构老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮

5、度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为:Bt=BOe-t/τ，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，先后测得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=20mA下。随着功率型LED开发应用，国外学

6、者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来35%，寿命＞6000h。(6)寿命BdΦedABdΦedA图1图24．辐射出射度对于具有一定面积的辐射体，其表面上不同位置发光的强弱可能是不一样的。为了描述任意一点B处的发光强弱，在B点周围取面积元dA，假定它所发射的辐射通量为dΦe(不管其辐射方向和立体角的大小)，如图1所示，则B点的辐射出射度可表示为：Me=dΦe/dA（3）即发光面上一点的辐射出射度是该面积元的辐射通量dΦe除以该面积元面积之商。辐射出射度的单位为瓦特每

7、平方米(W·m-2)。当辐射面均匀发光时，上式可表示为：Me=Φe/A5．光亮度光源表面上一点处在给定方向的光亮度是包含该点的面积元在给定方向的发光强度与面积元在垂直于该方向的平面上的正交投影面积之商，用L表示。其表达式为：L=I/(dA·cosθ)（9）由上式可见，θ方向的光亮度L是投影θ方向的单位面积上的发光强度。或者说是投影到θ方向的单位投影面积单位立体角内的光通量。光亮度的单位为坎德拉每平方米(cd·m-2)。6．光源的发光效率光源的发光效率是一个十分重要的物理量。一个照明电光源，除要求具

8、有较好的显色特性和长寿命以外，还要求其光效要高，以达到节约能源的目的。光源发出的光通量与所耗电功率之比，称为光源的发光效率。用η表示，即：η=φ/P（10）式中：单位为流明每瓦特(lm·W-1)。5．辐射照度如果某一表面被辐射体辐射，为表示B点辐射的强弱，在B点取微小面积元dA，它所接收的辐射通量为dΦe，如图2所示，则dΦe与dA之比就称为辐射照度。其表达式为：Ee=dΦe/dA（4）即表面上一点的辐射照度是入射在该面积元上的辐射通量dΦe除以该面面积元dA之商。单位为瓦特每平方