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      發(fā)光二極管（LED）是一種直接注入電流的電致發(fā)光器件，其半導(dǎo)體晶體內(nèi)部受激電子從高能級(jí)回復(fù)到低能級(jí)時(shí)發(fā)射出光子，屬于自發(fā)輻射躍遷。LED為非相干光源，具有較寬的譜寬（30?60nm）和較大的發(fā)射角（^100°）,常用于低速、短距離光傳輸系統(tǒng)。在安防視頻監(jiān)控中主要用于光發(fā)射端機(jī)與主動(dòng)式紅外發(fā)光光源等。

發(fā)光二極管（LED）的結(jié)構(gòu)及其發(fā)光原理 1.發(fā)光二極管（LED）的結(jié)構(gòu)

       發(fā)光二極管由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。它實(shí)際是將PN結(jié)管芯燒結(jié)在金屬或陶瓷底座上，歐姆接觸引出兩根金屬引線，然后用透明環(huán)氧樹脂封裝而成。

       LED的結(jié)構(gòu)既可以釆用PN同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，也可釆用PN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以控制發(fā)光面積和消除由透明包層引起的吸收，LED普遍釆用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，從而使LED具有優(yōu)異的工作特性。

       LED品種繁多，結(jié)構(gòu)和性能各異。由于可以制造出材料、結(jié)構(gòu)、發(fā)光顏色、發(fā)光面特征、功能不同的LED,從而為L(zhǎng)ED提供了廣闊的應(yīng)用空間，成為時(shí)下首選的綠色環(huán)保光源。目前，根據(jù)發(fā)光方向、發(fā)光功率、耦合效率、是否有諧振腔的不同，光纖通信中所用的LED的結(jié)構(gòu)可以分為如下的幾個(gè)類型：

面發(fā)光二極管(SurfaceLightEmittingDiode,SLED)；

邊發(fā)光二極管(EdgeLightEmittingDiode,ELED):

超輻射(或超高亮度)發(fā)光二極管(SuperluminescentLightEmittingDiode,S-LED):

諧振腔發(fā)光二極管(ResonantCavityLightEmittingDiode,RC-LED)；

量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QuantumDotLightEmittingDiode,QD-LED或QLED)。

2.發(fā)光二極管(LED)發(fā)光的基本原理

      當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，P區(qū)的空穴載流子p向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子n向P區(qū)擴(kuò)散，p與n在PN結(jié)區(qū)相遇復(fù)合，從而釋放能量而發(fā)光。

       光的波長(zhǎng)(決定光的顏色)由形成PN結(jié)構(gòu)的材料決定，因而可以制造各種不同波長(zhǎng)的LED。目前實(shí)用的發(fā)光二極管大多用111?V族半導(dǎo)體材料制成，用這些材料制成的發(fā)光二極管的特性參數(shù)如表2-2示。.

表2-2各種材料制成的發(fā)光二極管的特性參數(shù)

材料 禁帶寬度/eV 峰值波長(zhǎng)/ nm 結(jié)構(gòu) 顏色 外部效率/%

GaAs   940 PN 紅外  

GaP 2.24 585 PN 黃  

GaP (Zn, O2) 2.24 700 PN 紅 1.0

GaP (Zn, N2) 2.24 565 PN 綠 0.1

GaAs1-xPx 1.84 ?1.94 620?680 PN 紅 0.3

Ga1-xAlx As 1.80 ?1.92 640?700 PN 紅 0.4

GaN 3.5 0.44 MIS 藍(lán) 0.01 ?0.1

3.發(fā)光二極管(LED)的主要特點(diǎn)

      (1)工作電壓低，有的僅需1.5?1.7V即能導(dǎo)通發(fā)光，一般正向電壓約為2V,因而能直接與集成電路匹配使用。

      (2)工作電流小，其典型值約為10mA。

      (3)具有和普通晶體二極管相似的單向?qū)щ娞匦?，只是死區(qū)電壓略高些。

      (4)具有和硅穩(wěn)壓二極管相似的穩(wěn)壓特性。

      (5)響應(yīng)速度極快，時(shí)間常數(shù)為106?］0%,有良好的頻率特性，調(diào)制頻率可以很高。

      (6)小巧輕便、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)，一般可達(dá)10萬小時(shí)以上。 

      (7)主要缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，有效發(fā)光面很難做大。

發(fā)光二極管(LED)的主要特性參數(shù) 1.LED的效率

(1)功率效率μp。即將輸入的電功率pi轉(zhuǎn)換成輻射的功率pe的效率，即

ηp=pe/pix100%            (2-3）

      要提高ηp,就是要提高在一定電功率輸入下的輻射功率輸出，也就是減小器件的無用電功率損耗。如做好歐姆接觸，以減小焦耳熱的損耗功率等。

(2)光學(xué)效率ηO。即外量子效率ηqe與內(nèi)量子效率ηqi的比，即

       光學(xué)效率可用來比較外量子效率的相對(duì)大小。所謂量子效率，是指注入載流子復(fù)合而產(chǎn)生的光量子的效率。但由于內(nèi)吸收和內(nèi)反射等原因，使得產(chǎn)生的光量子不能全部射出，因此量子效率又分為內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率等于輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子數(shù)NT'與激發(fā)時(shí)注入的電子空穴對(duì)數(shù)G之比，即 

ηqi=N´T/G                      (2-5)

       由于半導(dǎo)體材料的折射率較高，反射和吸收的損失很大，所以輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光量子不能全部射出器件之外。外量子效率是射出的光子數(shù)Nr與注入的電子空穴對(duì)數(shù)G之比，即

ηqe-NT/G                      (2-6)

        提高光學(xué)效率的方法就是減少吸收(選擇最佳結(jié)深等)與晶體表面的內(nèi)反射損失(選合適的封裝材料等)。

       (3)流明效率ηL。也稱為光度效率或發(fā)光效率。即用于顯示的人眼衡量的效率，它表示消耗單位電功率Pi所得到的光通量F,即

ηL=F/Pi(lm/W)                   (2-7)

而

ηL=ηP*ηb                               (2-8)

式中，ηb為照明效率，它是輻射功率轉(zhuǎn)換成光通量的效率，即

ηb=F/Pe(lm/W)(2-9)

      顯然，提高ηL的方法就是提高ηp和ηb，即使發(fā)射光譜與視見函數(shù)有最大的重疊。

2.LED的伏安特性與P-I特性

圖2-3    LED的伏安特性