發(fā)光器件與光電耦合器件概述演示文稿

發(fā)光器件與光電耦合器件概述演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)優(yōu)選發(fā)光器件與光電耦合器件概述目前二頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)LED(Lightemittingdiode)目前三頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(diǎn)：LED、LD的發(fā)光原理及光電耦合器件的應(yīng)用目前四頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)1.PN結(jié)（同質(zhì)結(jié)）注入發(fā)光

PN結(jié)處于平衡時(shí)，存在一定的勢(shì)壘區(qū)，其能帶如圖6-1所示。當(dāng)加正偏壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)勢(shì)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)。

目前五頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)hu

-EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+ElectroninCBHoleinVBEcEvEcEvEFeVoElectronenergy問(wèn)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(huì)發(fā)光呢？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？目前六頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(huì)引起本征吸收而直接透射出去。目前七頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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°。目前八頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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?yàn)?5°～35°，垂直方向?yàn)?20°。目前九頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(zhǎng)(或頻率)變化的分布曲線(xiàn)。描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是它的峰值波長(zhǎng)和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度。對(duì)于輻射躍遷所發(fā)射的光子，峰值波長(zhǎng)由材料的禁帶寬度決定。目前十頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(shí)，譜帶波長(zhǎng)以0.2~0.3nm/℃的比例向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。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(chēng)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。目前十一頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

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(wú)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。

目前十二頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)外部量子效率ηex:單位時(shí)間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時(shí)間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對(duì)數(shù)nin，即(6-2)

對(duì)GaAs這類(lèi)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(duì)發(fā)紅光的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％；對(duì)發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev約為0.1％。目前十三頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)2.時(shí)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(shù)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(duì)光吸收。響應(yīng)時(shí)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(shí)間。發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)快，短于1μs，比人眼的時(shí)間響應(yīng)要快得多，但用作光信號(hào)傳遞時(shí)，響應(yīng)時(shí)間又顯得太長(zhǎng)。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)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(jí)上躍遷的幾率。

目前十四頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

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(duì)光亮度Le,λ,r與溫度t的關(guān)系曲線(xiàn)。目前十五頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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)目前十六頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(shí)，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(shí)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L(zhǎng)ED的內(nèi)阻；If、Uf均為它在較小電流時(shí)的電流和壓降。目前十七頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(shí)，通過(guò)結(jié)內(nèi)深能級(jí)進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時(shí)m＝2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，m＝1。因而實(shí)際測(cè)得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。(6-5)目前十八頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW6.P-I特性目前十九頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)7.壽命

LED的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于lA/cm2時(shí)，一般可達(dá)106h，最長(zhǎng)可達(dá)109h。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，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(shí)間

LED響應(yīng)時(shí)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(shí)間）與熄滅(衰減)所經(jīng)歷的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明，二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。LED的響應(yīng)時(shí)間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個(gè)ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅(qū)動(dòng)二極管時(shí)，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時(shí)間許可的范圍內(nèi)。目前二十頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)6.1.4驅(qū)動(dòng)電路

LED工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過(guò)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L(fǎng)ED為光源的場(chǎng)合，需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過(guò)電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

6.2

LED的特點(diǎn)及應(yīng)用一、特點(diǎn)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(guò)選用不同的材料，可以實(shí)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(guò)紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實(shí)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(shì)，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。目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

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(dòng)的特點(diǎn)，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號(hào)燈的使用范圍還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

5、壽命長(zhǎng)，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場(chǎng)地面的信號(hào)光源，是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

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(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示樹(shù)脂反射框引線(xiàn)框架LED芯片目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)3、平面顯示器

LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點(diǎn)矩陣型等幾大類(lèi)。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(kāi)關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合

目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(hào)傳輸功能的器件稱(chēng)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(shí)際應(yīng)用中它具有許多特點(diǎn)，成為重要的器件。目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(hào)

目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)DIP封裝的光電耦合器件目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)3.光電耦合器件的特點(diǎn)

⑴具有電隔離的功能

它的輸入、輸出信號(hào)間完全沒(méi)有電路的聯(lián)系，也沒(méi)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(hào)的產(chǎn)生。⑵信號(hào)傳輸方式

信號(hào)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(hào)和數(shù)字信號(hào)。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。目前三十頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(lái)，圓滿(mǎn)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(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)。它可傳輸?shù)男盘?hào)頻率在直流至10MHz之間。

⑸實(shí)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。

目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(gè)性能參數(shù)來(lái)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。目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)Q點(diǎn)的電流傳輸比為βQ=ICQ/IFQ×100%（6-19）在傳送小信號(hào)時(shí)，用所選工作點(diǎn)Q處的交流電流傳輸比β來(lái)表示。2目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)即β’=ΔIc/ΔIF×100%(6-20)

對(duì)于輸出特性線(xiàn)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(xiàn)性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在線(xiàn)性工作區(qū)；對(duì)于開(kāi)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(chēng)為光激發(fā)效率。

目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)

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(xiàn)。在IF較小時(shí)，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(xiàn)性工作狀態(tài)，β值將隨IF增加，而后，IF再增大，β反而會(huì)變小，因?yàn)榘l(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(xiàn)。目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)(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(shí)，會(huì)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(duì)于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個(gè)pF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會(huì)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。目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(huì)使光電耦合器件的最高工作頻率fM增高。

（4）脈沖上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf

光電耦合器在脈沖電壓信號(hào)的作用下的時(shí)間響應(yīng)特性用輸出端的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf描述。目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(lái)描述。一般低壓使用時(shí)隔離特性都能滿(mǎn)足要求，在高壓使用時(shí)，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(wàn)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).~目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(jì)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(guò)一定的電流時(shí)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(huì)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(guò)光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)(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(hào))的同時(shí)，不可避免地進(jìn)入干擾信號(hào)。這些干擾信號(hào)由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動(dòng)干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢(shì)的泄放干擾等。干擾信號(hào)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(kāi)關(guān)干擾最為嚴(yán)重。經(jīng)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，繼電器開(kāi)關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于250V

，因此，不會(huì)干擾耦合器。目前四十頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)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(shí)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(hào)耦合起來(lái)而且使輸入與輸出電路完全隔離。

目前四十一頁(yè)\總數(shù)四十七頁(yè)\編于十二點(diǎn)6.5.2用于邏輯門(mén)電路

圖6-40所示為兩個(gè)光電耦