發(fā)光器件與光電耦合器件概述

發(fā)光器件與光電耦合器件概述第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三光源熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器太陽白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器汞燈熒光燈鈉燈氙燈金屬鹵化物燈空心陰極燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管氣體激光器固體激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器溫度輻射發(fā)光光致發(fā)光陰極射線發(fā)光放射線發(fā)光電致發(fā)光注入式電發(fā)光

第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三LED(Lightemittingdiode)第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性

6.1.1發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理

發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)(同質(zhì)結(jié))注入發(fā)光(發(fā)生在p區(qū))與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光(發(fā)生在n區(qū))兩種。本章主要介紹注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED、LD)及光電耦合器件。重點：LED、LD的發(fā)光原理及光電耦合器件的應(yīng)用第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）注入發(fā)光

PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖6-1所示。當(dāng)加正偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。

第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三hu

-EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+ElectroninCBHoleinVBEcEvEcEvEFeVoElectronenergy問題：這和普通二極管的工作狀態(tài)一樣嗎？為什么普通二極管不發(fā)光，而發(fā)光二極管會發(fā)光呢？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū).

由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2

小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2基本結(jié)構(gòu)(面發(fā)光和邊發(fā)光)

1.面發(fā)光二極管

光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120°。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.邊發(fā)光二極管

邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為25°～35°，垂直方向為120°。第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3LED的特性參數(shù)

1.發(fā)光光譜和發(fā)光效率

LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對強(qiáng)度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度。對于輻射躍遷所發(fā)射的光子，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；或光強(qiáng)度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cd／A（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率為

（6-1）

neo為每秒發(fā)射出的光子數(shù),ni為每秒注入到器件的電子數(shù),τr是輻射復(fù)合的載流子壽命,τrn是無輻射復(fù)合的載流子壽命。只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射。

第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三外部量子效率ηex:單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對數(shù)nin，即(6-2)

對GaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，ηin可接近100％。但ηex很小，如GaP[Zn-O]紅光發(fā)射效率ηev很小，最高為15％；發(fā)綠光的GaP[N]的ηev約為0.7％；對發(fā)紅光的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％；對發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev約為0.1％。第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.時間響應(yīng)特性與溫度特性

提高外部量子效率的措施有三條：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n2=1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。響應(yīng)時間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮或去掉電流后發(fā)光二極管熄滅的時間。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于1μs，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。

第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖6-6表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發(fā)光二極管的相對光亮度Le,λ,r與溫度t的關(guān)系曲線。第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.發(fā)光亮度與注入電流的關(guān)系

發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴(kuò)散電流idn之間的關(guān)系為(6-3)

τ是載流子輻射復(fù)合壽命τR和非輻射復(fù)合壽命τnr的函數(shù)第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.最大工作電流

工作電流:幾mA－幾十mA若工作電流較小，LED發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。隨著電流密度的增加，pn結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)光效率降低。

最大電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率時的值。若LED的最大功耗為Pmax，則其最大的電流為（6-4）

式中，rd為LED的內(nèi)阻；If、Uf均為它在較小電流時的電流和壓降。第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三5.伏安特性

正向電流與電壓的關(guān)系為i＝ioexp(qU/mkT)m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢時，m＝1。因而實際測得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。(6-5)第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW6.P-I特性第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三7.壽命

LED的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達(dá)106h，最長可達(dá)109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。8.響應(yīng)時間

LED響應(yīng)時間指器件啟亮(上升)（發(fā)光亮度從10％上升到90％所經(jīng)歷的時間）與熄滅(衰減)所經(jīng)歷的時間。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。LED的響應(yīng)時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時間許可的范圍內(nèi)。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.1.4驅(qū)動電路

LED工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調(diào)制。第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

6.2

LED的特點及應(yīng)用一、特點1、LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發(fā)散角大。2、LED的發(fā)光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍(lán)色LED等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴(kuò)大。第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

4、LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進(jìn)一步擴(kuò)大。

5、壽命長，基本上不需要維修?？勺鳛榈匕?、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

二、應(yīng)用

1、指示燈

2、數(shù)字顯示用顯示器

利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。點矩陣型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示樹脂反射框引線框架LED芯片第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3、平面顯示器

LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陣型等幾大類。4、光源

LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源。5、光電開關(guān)、報警、遙控、耦合

第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.4光電耦合器件

將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發(fā)光件常用LED發(fā)光二極管、LD半導(dǎo)體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多特點，成為重要的器件。第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.光電耦合器件的結(jié)構(gòu)

6.4.1光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號

第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三DIP封裝的光電耦合器件第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.光電耦合器件的特點

⑴具有電隔離的功能

它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系，也沒有共地。絕緣電阻高達(dá)1010－l012Ω，擊穿電壓高達(dá)100－25kV，耦合電容小于1PF。避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。⑵信號傳輸方式

信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數(shù)字信號。⑶具有抗干擾和噪聲的能力

不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑷響應(yīng)速度快

⑹既具有耦合特性又具有隔離特性

它能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能；

一般可達(dá)微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級。它可傳輸?shù)男盘栴l率在直流至10MHz之間。

⑸實用性強(qiáng)

具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55－+l00℃之間。

第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2光電耦合器件的特性參數(shù)

光電耦合器件的主要特性為隔離特性與傳輸特性。1.傳輸特性

光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間的特性，它用下列幾個性能參數(shù)來描述。（1）電流傳輸比β

在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用β表示。第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三Q點的電流傳輸比為βQ=ICQ/IFQ×100%（6-19）在傳送小信號時，用所選工作點Q處的交流電流傳輸比β來表示。2第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三即β’=ΔIc/ΔIF×100%(6-20)

對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，β值很接近β’值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點設(shè)計在線性工作區(qū)；對于開關(guān)使用狀態(tài)，通常都采用直流電流傳輸比β。光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數(shù)都是輸出與輸入電流之比值，但有本質(zhì)的差別。光電耦合器件內(nèi)的輸入電流使發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器件的輸出電流是光電接收器件（光電二極管或光電三極管）接收到的光產(chǎn)生的光電流，可用αIF表示，其中α與發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的增益及二者之間距離等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，通常稱為光激發(fā)效率。

第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

圖6-32所示為光電耦合器件的電流傳輸比β隨發(fā)光電流IF的變化曲線。在IF較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，因此β值較??；當(dāng)IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，β值將隨IF增加，而后，IF再增大，β反而會變小，因為發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖6-33是β隨環(huán)境溫度的變化曲線。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三(2)輸入與輸出間的寄生電容CFC

這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當(dāng)CFC變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。(3)最高工作頻率fm

頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性，由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三圖6-35中RL為光電耦合器的負(fù)載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負(fù)載電阻值有關(guān)。減小負(fù)載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率fM增高。

（4）脈沖上升時間tr和下降時間tf

光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下的時間響應(yīng)特性用輸出端的上升時間tr和下降時間tf描述。第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.隔離特性(1)輸入與輸出間隔離電壓BVCFO

光電耦合器的輸入（發(fā)光器件）與輸出（光電接收器件）的隔離特性可用它們之間的隔離電壓BVCFO來描述。一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時，隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達(dá)幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。

(2)輸入與輸出間的絕緣電阻RFC

光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在109-1013Ω之間。它與耐壓密切相關(guān).~第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3.光電耦合器件的抗干擾特性

(1)光電耦合器件抗干擾強(qiáng)的原因①光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為10Ω-1kΩ；而干擾源的內(nèi)阻很大，為103-106Ω。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。②由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。③光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。④光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.5-2pF)，絕緣電阻大(為1011-1013Ω)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算

在向光電耦合器輸送信息(例如矩形脈沖信號)的同時，不可避免地進(jìn)入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，且以繼電器等電磁電器的開關(guān)干擾最為嚴(yán)重。經(jīng)計算，可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為Umin=250V

在實際應(yīng)用中，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于250V

，因此，不會干擾耦合器。第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.5光電耦合器件的應(yīng)用

6.5.1用于電平轉(zhuǎn)換

圖6-39所示為利用光電耦合器件實現(xiàn)PMOS電路的電平與TTL電路電平的轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的脈沖信號耦合起來而且使輸入與輸出電路完全隔離。

第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.5.2用于邏輯門電路

圖6-40所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時輸入高電平"1"，則兩個發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個光敏三極管TD1和TD2都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。若輸入端Ui1或Ui2中有一個為低電平“0”，則輸出光電三極管中必有一個不導(dǎo)通，使得輸出信號為“0”，故為與門邏輯電路，Uo=Ui1·Ui2。光電耦合器件還可以構(gòu)成與非、或、或非、異或等邏輯電路。第42頁，共49頁，2023年，2月