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光电检测技术
光电检测技术教案
章节：
第二章电致发光效应及器件
（二）
第一节电致发光效应简介
第二节发光二极管
第三节半导体激光器
第四节液晶显示器
第五节等离子显示
讲解过程中介绍光学概念和性质。
教学任务：
1.使学生了解电致发光效应的含义；
2.掌握电致发光效应器件原理和特点；
3.了解电致发光效应器件应用。
重点及难点：
1.电致发光器件原理；
2.电致发光器件使用和选择方法；
3.器件应用范畴。
教学内容提要：
1、电致发光效应器件原理和特点；
2、几种电致发光器件使用和选择方法。
复习思考题、作业：
叙述激光器的结构和激光特点，举例说明激光的应用。
参考书：
《光电检测技术与应用》，郭培源，付杨编著，北京航空航天大学出版社，2006年
《光电检测技术》，曾光宇，张志伟，张存林主编，清华大学出版社，2005年
目录
第二章电致发光效应及器件3
§2-1 第一节电致发光效应3
§2-2 第二节发光二极管4
§2-2-1半导体光源的物理基础4
§2-2-2发光二极管的工作原理、结构及驱动8
§2-2-3LED的特性9
§2-2-4LED的特点及应用11
§2-3 第三节半导体激光器12
§2-3-1光学谐振腔与激光器的阈值条件12
§2-3-2半导体激光器的结构16
§2-3-3半导体激光器特性18
§2-3-4LD的应用20
§2-4 第四节液晶显示器20
§2-4-1液晶显示器原理20
§2-4-2液晶显示器的构造23
§2-4-3液晶显示器的特点及应用24
§2-5 第五节等离子体显示板25
§2-5-1等离子体显示板（PDP）25
§2-5-2PDP的特征及应用26
第二章电致发光效应及器件
§2-1 第一节电致发光效应
图1非相干光源种类
首先回顾第一章中讲的光电检测技术中的光源。
一般根据输出光束相干性，将光源分成相干光源和非相干光源，如图所示。
本章以电致发光光源为重点进行讲解。
电致发光（英文electroluminescent），简称EL，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。
简单地说，就是发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。
它是将电能直接转换为光能的过程。
利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。
常见的发光二极管、半导体激光器、液晶显示器、等离子显示，下面分别进行介绍。
§2-2 第二节发光二极管
§2-2-1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。
图2三种跃迁形式示意图。
设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为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。
（1）
式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
⏹在热平衡状态下，总是有N1>N2。
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N2>N1，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）。
本征半导体的能带结构
图3本征半导体的能带结构
⏹
在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而是费米分布，能级E被电子占据的几率为:
（2）
式中，，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，EF叫做费米能级。
费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特征参量。
它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内能带上的分布情况。
对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级。
杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。
图4费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系图。
⏹半导体中产生光放大的的条件是：
在半导体中存在双简并能带且入射光的频率满足
（3）
⏹PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区的费米能级达到同一水平
图5费米能级在同一水平
⏹当在PN结上加正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使PN结的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高eV。
此时非平衡状态下形成两个准费米能级，形成双简并能带结构。
图6双简并能带结构。
外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复合跃迁，辐射光子。
这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁几率与电子在作用区的平均寿命成反比。
产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。
考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可以用N区的准费米能级来计算
（4）
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算
（5）
价带顶电子占据几率则为
（6）
在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
（7）
因此，结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带的宽度。
§2-2-2发光二极管的工作原理、结构及驱动
a）工作原理
发光二极管（lightemittingdiode，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7双异质结半导体发光二极管的结构示意图
b）基本结构
图8面发光二极管的结构示意图。
图9边发光型LED的结构示意图。
c）驱动电路
图10三种驱动电路示意图。
§2-2-3LED的特性
一、伏安特性
伏安特性即电流电压特性，是发光二极管的基本特性。
下图是LED的伏安特性图。
图11LED的伏安特性图。
二、光谱特性
描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长与半强度宽度。
其峰值波长由材料的禁带宽度决定。
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
图12发光二极管发射光谱特性。
三、光束的空间分布
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中，
，。
四、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。
图13出光功率特性。
§2-2-4LED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。
4、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。
二、应用
1、指示灯
2、数字、文字及图像显示
3、光源。
LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。
§2-3 第三节半导体激光器
半导体激光器是基于半导体材料的激光器，有些人在狭义上也称为激光二极管（LaserDiode,LD），是一种光学振荡器。
普通的光源的发光都是自发发射，但激光却是一种受激发射光。
§2-3-1光学谐振腔与激光器的阈值条件
一、粒子数反转与光放大
1、激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。
如图所示。
图14激光器简单结构。
2、粒子数反转分布是产生激光的必要条件
3、粒子数反转分布也称为“负”温度分布
（8）
二、激光介质的增益
1、激光介质的增益系数G
若入射光强为I0，在激光介质内传播至z处的光强为I，传播至z+dz处的光强为I+dI，则我们定义激光介质的增益系数G为：
G=dI/（Idz）（9）
因此激光介质的增益系数就是光通过单位长度激光介质后光强增长的百分数。
2、激光介质的损耗
在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。
实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。
因此激光介质的损耗系数就是光通过单位长度激光介质后光强衰减的百分数。
只有当增益等于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。
为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。
3、如果粒子数不随传播距离z而变化，则增益系数G是一个常数，并称为小信号增益系数。
则
I=I0eGz（10）
可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长。
三、谐振腔概述
1、理论上讲，如激光介质的增益很高且有足够的增益长度，则在激励光的作用下，激光介质可以产生激光。
而一般激光介质的增益总是有限的，因此产生激光所需要的介质长度就必须很长。
但无限增加增益介质的长度是不可取的。
为了解决增益长度的问题，采用两个按光学要求相向设置的反射镜来使光线在腔内来回振荡。
2、无源谐振腔和有源谐振腔
3、激光在有源谐振腔内振荡的模型
图中谐振腔由两个平行平面镜构成。
增益介质的激光能级是在外界能源的泵浦之下实现粒子数反转的。
如图只有那些传播方向垂直于镜面的自发发射光诱发的受激发射光才能在腔内长时间来回反射，并反复受到激光介质的雪崩式放大，直到增益饱和。
图15有源谐振腔内振荡。
4、产生激光的阈值条件
激光器由增益介质以及谐振腔组成。
要产生激光，激光介质必须实现粒子数反转。
但是粒子数反转的激光介质能否在谐振腔内形成稳定的激光场，还取决于介质增益与激光器损耗的关系。
在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变。
即波长为的光在腔长为L的谐振腔内维持振荡，必须满足自再生的驻波条件：
nL=m·/2（11）
式中n为腔内介质的折射率；m是驻波的波腹数且是正整数，常称为纵模序数。
根据波长和频率的关系，可得到谐振腔的谐振频率m为：
m=m·c/（2nL）（12）
式中c为真空光速。
这些频率对应于纵向模式（简称纵模）。
相邻两个谐振频率的间隔称为纵模间隔：
△m=c/（2nL）（13）
•一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。
•有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。
通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。
图16激光器纵模分布和工作模式。
综上所述，要得到激光必须满足三个基本要求（总结激光产生的全过程）
1、需要泵源。
2、大量的粒子数反转。
3、要有一个共振腔提供正反馈以及增益。
§2-3-2半导体激光器的结构
最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如图所示。
这样的激光器面积大，称为大面积激光器。
由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的主要缺点。
为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构。
一、增益导引型半导体激光器
解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，将一绝缘层介质（SiO2）淀积在P层上，中间敞开以注入电流。
这导致了在侧向的载流子密度的空间分布，光增益在带的中间最高，而在中间带区外有源层具有高吸收，光被限制在条形区域。
由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。
二、折射率导引型半导体激光器
通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半导体激光器。
将P型层的一部分腐蚀掉，然后在两边沉积一层折射率比P区的折射率低得多的SiO2层以阻截电流流动。
§2-3-3半导体激光器特性
一、光谱特性
在直流驱动下，发射光具有一定的波长，谱线具有一定的模式结构，这是由于导带与价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同的能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。
其中只有符合谐振腔谐振频率的波长才能产生稳定的激光光场。
图为GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。
图20GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图
波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模。
当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。
二、转换效率与输出光功率特性
激光器的电光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数
（14）
由此得到
（15）
式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。
三、温度特性
温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：
一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。
图给出了LD的P-I曲线随温度变化的实例。
图21LD的P-I曲线随温度的变化。
激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图为典型LD的光功率特性曲线。
当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
图22典型LD的光功率特性曲线
§2-3-4LD的应用
光纤通信系统的光源，光学测量系统的光源,其他应用。
§2-4 第四节液晶显示器
§2-4-1液晶显示器原理
一、液晶
a）液晶的概念
液晶显示器（LiquidCrystalDisplay,LCD）的主要构成材料为液晶。
最早报告发现液晶的是奥地利植物学家。
一般来说，液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。
“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。
液晶可以分为两种1）溶致液晶2）热致液晶。
b）液晶物质分子的排列结构
层列液晶中的棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。
这种分子层的结合较弱，层与层之间易于相互滑动。
其显示出二维液体的性质。
向列液晶的棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动。
因此，富于流动性粘度较小。
图23层列液晶和向列液晶结构图。
胆甾相液晶与层列液晶一样形成层状结构，分子长轴在层面内与向列液晶相似成平行排列。
但相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别，整个液晶形成螺旋结构。
而液晶的各种光学性质如旋光性等等都是基于这种螺旋结构。
图24胆甾相液晶
c）液晶与显示
液晶分子的排列结构并不象晶体结构那样坚固，因此在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响下，其分子容易发生再排列。
由此液晶的各种光学性质发生变化。
液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器等的基础
在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列在电压以及热的作用下，其分子排列发生变化。
伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、光散射性等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化，即液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发光型（受光型）显示。
二、扭曲向列型显示原理
图表示在垂直偏振片间设置TN排列液晶盒的场合，基于电气光学效应，TN型显示方式的原理。
在这种情况下，不施加电压时使光透过，而施加电压时使光遮断。
在平行偏振片间，这种光的透过或遮断关系是可逆的。
目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种TN方式，在白的背景下可以显示黑，在黑的背景下可以显示白。
图25扭曲向列型显示原理。
★阈值电压：
定义为透射率为器件最大透射率的90％（对常白型）或10％（对常黑型）所对应的电压有效值。
它是一个与液晶材料有关的参数。
★对比度和视角：
对比度是在恒定环境照明下显示部分亮态与暗态的亮度之比；由于偏离显示板法线方向不同角度入射到液晶盒的光，遇到不同的液晶分子排列造成有效光学延迟量的不同，因此不同视角下对比度就不同。
★响应速度：
LCD的响应时间通常用它的上升时间和下降时间之和来衡量。
一般情况下，下降时间要大于上升时间；随着温度的下降，液晶变得更加粘稠，低温时响应速度明显下降。
§2-4-2液晶显示器的构造
图为用于仪表数字显示的反射式TN型LCD的端面结构。
对于不需要偏振片的显示方式及透射型LCD要去掉偏振片及反射板。
透射型LCD需要附加背面照明光源。
而且，对于彩色显示LCD，一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层。
透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化锡透明导电膜的玻璃板、塑料片或塑料膜。
一般要求其透光率在90%以上，表面电阻从10Ω到数百欧姆。
封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂，但对可靠性要求特别高的场合，也有时采用玻璃封接剂等。
大部分LCD所必需的偏振片，是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构，且多为片状，其透光率为40%~50%，偏光度一般为98%左右。
而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。
§2-4-3液晶显示器的特点及应用
LCD的优点有：
⏹1、由于低功耗（几微瓦~几十微瓦/平方厘米）
⏹2、低电压运行（几十伏）
⏹3、元件为薄型（几毫米），而且从大型显示（对角线长几十厘米）到小型显示（对角线长几毫米）都可满足，特别适用于便携式装置。
⏹4、属于非主动发光型显示，即使在明亮的环境，显示也是鲜明的。
⏹5、容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。
⏹6、可以进行投影显示及组合显示，因此容易实现大画面（对角线为数米）显示。
LCD也存在以下一些缺点：
⏹1、由于属于非主动发光型，在采用反射方式时，在比较暗的场所，显示不够鲜明。
⏹2、在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背景光。
⏹3、显示对比度与观察方向有关，视角受到限制。
⏹4、响应时间与环境温度有关，低温（-30℃~-40℃）时工作不能充分保证。
LCD的主要应用有：
⏹1、数字、字符显示
⏹2、平面显示
⏹3、光开关
§2-5 第五节等离子体显示板
§2-5-1等离子体显示板（PDP）
等离子体显示板（plasmadisplaypanel，PDP）是利用气体放电发光进行显示的平面显示板，可以看成是由大量小型日光灯排列构成的。
所谓等离子体，是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态。
在PDP中，有数百万个如上所述的微小荧光灯，称为放电胞，其工作原理与结构如图所示。
图28PDP整体结构示意图。
§2-5-2PDP的特征及应用
与其它他显示器比较，PDP有以下优点：
1、利用气体放电发光，与LCD比较，为自发光型，即主动发光型显示；
2、其放电间隙为0.1~0.3mm，与CRT相比，便于实现薄型化；
3、利用荧光体，可以实现彩色发光，与LCD相比，容易实现多色化、全色化；
4、容易实现大画面平面显示。
其缺点是：
1、 功耗大，不便于采用电池电源（与LCD相比）；
2、 与CRT相比，彩色发光效率低；
3、 驱动电压高（与LCD相比）
基于上述特点，PDP的优势是薄型，大画面，自发光型，色彩丰富，大视角等。
PDP在高清晰度电视、大画面电视、计算机显示器、壁挂式显示器、室外大型广告牌等方面具有广泛的应用。
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