文档介绍：光电检测技术教案
章节:
第二章电致发光效应及器件(二)
电致发光效应简介
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:
使学生了解电致发光效应的含义;
掌握电致发光效应器件原理和特点;
了解电致发光效应器件应用。
重点及难点:
电致发光器件原理;
电致发光器件使用和选择方法;
器件应用范畴。
教学内容提要:
电致发光效应器件原理和特点;
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
§ 2-2-3 LED的特性 9
§ 2-2-4 LED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
§ 2-3-4 LD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
§ 2-5-2 PDP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
基于PN节激光器
固体激光器
染料激光器
半导体激光器
气体激光器等
非线性光学器件
激光
相干光源
图1 非相干光源种类
太阳
气体放电灯、荧光灯
白炽灯
黑体辐射器
照明光源
非相干光源
阴极射线管
等离子体管
荧光显示器
液晶显示器
场致发光显示器
发光二极管
信息处理光源
显示光源
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。
(1)受激吸收
E2
E1
hv
(2)自发辐射
E2
E1
hv
(3)受激辐射
E2
E1
hv
hv
hv
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