Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы оптоэлектроники. Светодиоды. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Рязанский государственный радиотехнический университет
Н.В. РЫБИНА, Н.Б. РЫБИН
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
СВЕТОДИОДЫ
Учебное пособие
Рязань 2017
1
УДК 537.533
Физические основы оптоэлектроники. Светодиоды: учеб. пособие
/ Н.В. Рыбина, Н.Б. Рыбин; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. - Рязань, 2017. -
48 с.
Представлена информация о фотометрических и энергетических
характеристиках оптоэлектронных приборов. Рассмотрены основные
квантовые явления в полупроводниках. Описаны основные
характеристики, параметры и конструкции светоизлучающих диодов.
Предназначено для аудиторной и самостоятельной работы
студентов дневного отделения направления 11.03.04, изучающих
дисциплину «Оптоэлектроника и квантовая оптика».
Табл. 1. Ил. 24. Библиогр.: 11 назв.
Оптоэлектроника, фотометрические и энергетические
характеристики, когерентность, полупроводники, излучательные
переходы, люминесценция, поглощение, светодиоды
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Рязанского государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра микро- и наноэлектроники Рязанского
государственного радиотехнического университета (зав. кафедрой
проф. Т.А. Холомина)
Р ы б и н а Наталья Владимировна
Р ы б и н Николай Борисович
Физические основы оптоэлектроники. Светодиоды
Редактор Р.К. Мангутова
Корректор С.В. Макушина
Подписано в печать 10.11.17. Формат бумаги 60×84 1/16.
Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 3,0.
Тираж 30 экз. Заказ .
Рязанский государственный радиотехнический университет.
390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.
Редакционно-издательский центр РГРТУ.
© Рязанский государственный
радиотехнический университет, 2017
2
Оглавление
Введение …………………………………………………………... 4
1. Физические основы оптоэлектроники…………………………4
1.1. Фотометрические и энергетические характеристики……….5
1.2. Когерентность оптического излучения…………………….10
1.3. Квантовые явления в полупроводниках……………………13
1.3.1. Излучательные переходы в полупроводниках…………20
1.3.2. Поглощение излучения в полупроводниках……………...23
2. Светоизлучающие диоды……………………………………..28
2.1. История развития светодиодов……………………………...29
2.2. Основные характеристики и параметры светодиодов……32
2.2.1. Параметры светодиодов…………………………………...32
2.2.2. Вольт-амперные характеристики светодиодов…………..33
2.2.3. Оптические характеристики светодиодов……………….37
2.3. Конструкции светодиодов………………………………….39
2.4. Светодиоды белого света………………………………….40
2.5. Органические светодиоды…………………………………..43
Заключение ……………………………………………………… 47
Библиографический список………………………………………47
3
Введение
Оптоэлектроника – область науки и техники, исследующая
и применяющая процессы взаимодействия оптического
излучения с веществом для передачи, приема, переработки,
хранения и отображения информации. Отдельно можно
выделить квантовую оптику – раздел оптоэлектроники,
занимающийся изучением явлений, в которых проявляются
квантовые свойства света. К таким явлениям относятся:
тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект
Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение и
др.
В последние годы в употребление вошел термин
«фотоника». Возникший по аналогии с электроникой, он
отражает растущие связи между оптикой и электроникой.
Фотоника управляет потоками фотонов так же, как электроника
манипулирует потоками носителей заряда (электронов и дырок).
Устройства полупроводниковой оптоэлектроники действуют как
источники фотонов (светоизлучающие диоды и диодные
лазеры), усилители, приемники, волноводы, модуляторы,
датчики и др.
Учебное пособие посвящено рассмотрению физических
основ оптоэлектроники, по большей части полупроводниковой
оптоэлектроники, а также светоизлучающих диодов.
1. Физические основы оптоэлектроники
В оптоэлектронике применяется оптическое излучение,
диапазон спектра которого составляют электромагнитные
колебания с длиной волны λ от 10 нм до 1 мм (рис. 1.1). Внутри
оптического диапазона выделяют видимое (λ = 0,38…0,78 мкм),
инфракрасное (λ = 0,78…1000 мкм) и ультрафиолетовое (λ =
= 0,01…0,38 мкм) излучения.
4
λ 0,1 мм10 мкм1 мкм0,1 мкм
10 нм
1 нм
ν, Гц
10
17
10
16
10
15
10
14
10
13
10
12
Видимый ИнфракрасныйУльтрафиолетовый
Оптический диапазон
Рентгеновское
излучение
Радиоволны
Рис. 1.1. Оптический диапазон спектра электромагнитных волн
1.1. Фотометрические и энергетические характеристики
По принципу преобразования энергии оптического
излучения в конечный сигнал, регистрируемый измерительными
приборами, все фотоприемники можно подразделить на две
основные группы. В первой группе [термоэлементы
(болометры), твердотельные и вакуумные фотоэлементы]
энергия оптического излучения преобразуется в электрический
ток. Во второй группе энергия оптического излучения приводит
к возникновению фотохимических реакций (фотоэмульсионные
слои, человеческий глаз).
Для описания оптического излучения, воздействующего на
первую группу фотоприемников, пользуются энергетическими
характеристиками:
энергетическая экспозиция;
поток излучения;
энергетическая светимость;
облученность поверхности.
Оптическое излучение, воздействующее на сетчатку глаза
или фотопластину, принято характеризовать фотометрическими
параметрами:
световой поток;
сила света;
освещенность;
5
яркость; светимость.
2
C
SR
Рассмотрим точечный источник света i, испускающий свет
равномерно по всему трехмерному пространству. Выберем в
указанном пространстве световой конус с углом α, в вершине
которого находится источник света i.
Пересечем световой конус сферической поверхностью S
радиусом R. Как видно из рис. 1.2, конус «вырезает» на
сферической поверхности площадку площадью ∆SC.
Рис. 1.2. Определение телесного угла [1]
Рассмотренный световой конус принято характеризовать
телесным углом ∆Ω, который определяется как
(1.1)
и измеряется в стерадианах (ср).
Пусть монохроматическое излучение длиной волны
λ = 555 нм переносит через площадку ∆S (в соответствии с
рис. 1.2) за 1 с энергию 0,0016 Дж. Полагают, что в данном
случае внутри телесного угла ∆Ω распространяется световой
поток ∆Ф, равный 1 люмен (лм). Указанное соотношение
является международным стандартом. Это не только относится
6
к определению люмена, но и является единственным
V
I
E
S
связующим звеном между фотометрическими и
энергетическими характеристиками оптического излучения.
Величина
(1.2)
называется силой света источника и измеряется в канделах (кд).
Сила света является основным фотометрическим
параметром системы СИ. Согласно международному стандарту
одна кандела равна силе света в заданном направлении,
излучаемого монохроматическим источником с частотой
5,41014 Гц, излучение которого в указанном направлении
составляет (1/683) Вт/ср.
Освещенность поверхности определяется как
, (1.3)
где ∆Ф – световой поток, падающий на поверхность площади
∆S. Определение освещенности изображено на рис. 1.3.
Освещенность измеряется в люксах (лк).
Рис. 1.3. Определение освещенности [1]
7
Элементарные преобразования позволяют установить
2
cos
I
E
R
ПС
M
S
взаимосвязь освещенности поверхности Е, расстояния R и угла
падения света φ на поверхность в соответствии с рис. 1.2 как
. (1.4)
Формула (1.4) носит название закона освещенности.
До сих пор мы рассматривали точечные источники света.
Всякий реальный источник имеет конечные размеры. Пусть
светящаяся площадка площадью ∆S излучает свет в полусферу,
которой соответствует телесный угол ∆Ω = 2π ср, как
изображено на рис. 1.4. Обозначим ∆ФПС световой поток,
излучаемый площадью ∆S в полусферу.
Рис. 1.4. Определение светимости [1]
Светимостью излучающей поверхности ∆S называется
величина
, (1.5)
8
измеряется в лм/м
cos
I
LS
e
E
H
S
2
.
Пусть светящаяся поверхность площади ∆S излучает
световой поток ∆Ф в телесный угол ∆Ω, ось симметрии
которого составляет угол Θ с нормалью 𝑁 к излучающей
поверхности, как показано на рис. 1.5.
Величина
(1.6)
есть яркость светящейся поверхности.
Рис. 1.5. Определение яркости [1]
Перейдем к рассмотрению энергетических характеристик
оптического излучения.
Величина, равная отношению энергии излучения ∆Е,
попадающего на поверхность, к площади этой поверхности ∆S,
есть энергетическая экспозиция
. (1.7)
Величина, равная отношению энергии излучения ∆Е к
времени переноса этого излучения ∆t, называется потоком
излучения:
9
e
Et
. (1.8)
e
e
И
M
S
e
e
П
E
S
0
E E f t kx
Интегральная излучательная способность, или
энергетическая светимость, равна отношению потока
излучения Ф
к площади ∆SИ, с которой этот поток испускается:
е
. (1.9)
Величина, равная отношению потока излучения Ф
к
е
площади ∆SП, на которую этот поток падает и поглощается, есть
облученность поверхности:
. (1.10)
1.2. Когерентность оптического излучения
Идеальная монохроматическая электромагнитная волна
(МЭВ) понимается как бесконечная в пространстве и времени
волна, имеющая постоянную циклическую частоту ω. Такой
волне соответствует уравнение
, (1.11)
где 𝐸 – напряженность электрической компоненты поля волны в
точке с координатой х; 𝐸
– амплитуда вектора напряженности;
0
t – время работы излучателя волны; k – модуль волнового
вектора, k = 2π/λ; λ – длина волны.
Вид функции f определяется режимом работы излучателя
МЭВ.
Современная оптоэлектроника использует в качестве
источников излучения полупроводниковые, твердотельные и
газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ). Излучателями
света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны
атомов (газовые ОКГ), либо электроны проводимости
(полупроводниковые ОКГ). В первом случае переход
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]