光電技術(shù)-06發(fā)光器件與光電耦合器件

第六章發(fā)光器件與光電耦合器件發(fā)光二極管實物圖6.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性

6.1.1LED的發(fā)光機理

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型半導體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。

PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)

N型半導體P型半導體EcEvEcEvEFpEFn1.PN結(jié)注入發(fā)光

發(fā)光區(qū)：P區(qū)注入率不高、可能會產(chǎn)生本征吸收2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光

P區(qū)：注入源、透射區(qū)N區(qū)：發(fā)光區(qū)6.1.2基本結(jié)構(gòu)

1.面發(fā)光二極管

2.邊發(fā)光二極管

6.1.3LED的特性參數(shù)

1.發(fā)光光譜和發(fā)光效率

（1）發(fā)光光譜－－LED發(fā)出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。峰值波長和發(fā)光強度的半寬度（2）發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。neo－－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－－輻射復合的載流子壽命τrn－－是無輻射復合的載流子壽命只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發(fā)射

內(nèi)部量子效率：外部量子效率ηex：nin－－單位時間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對數(shù)nex－－單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)2.時間響應特性與溫度特性

提高外部量子效率的措施有三條：發(fā)光二極管的時間響應快，短于1μs，比人眼的時間響應要快得多，但用作光信號傳遞時，響應時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應時間取決于注入載流子非發(fā)光復合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。

①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)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。

溫度特性通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。3.發(fā)光亮度與電流的關(guān)系

發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴散電流idn之間的關(guān)系為

亮度與電流密度近似成線性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)不易飽和4.最大工作電流

最大電流密度應低于最大發(fā)射效率時的值。Rd：LED的內(nèi)阻；If、Uf：它在較小電流時的電流和壓降。

5.伏安特性

i＝ioexp(U/mkT)

m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流i<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m＝1。因而實際測得的m值大小可以標志器件發(fā)光特性的好壞。

6.壽命

壽命--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106h，最長可達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。

7.光強分布不同型號的LED發(fā)出的光在半球空間內(nèi)具有不同的光強分布規(guī)律。其機械軸與光軸往往并不重疊而在空間上具有夾角Δθ，LED的發(fā)光強度是光軸為基準關(guān)于角度θ的函數(shù)Iv=f(θ)不同的應用對分布函數(shù)的要求不同，希望遠距離傳輸光能量的應用要求半角寬度盡量小，以免能量在傳輸過程中損失過大。而要求獲得均勻面光源的情況下又要求其“半角”盡量增大。發(fā)光強度衰減到一半時所對應的角度稱為LED的半發(fā)光強度角（或半角），用θ1/2表示。半角寬度，光軸與機械軸偏向角的測量在實際應用中是非常重要的環(huán)節(jié)。因此，設計出多種測量設備。天津市耀輝光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LEDA-Ⅱ型發(fā)光角度特性測試儀為其最佳產(chǎn)品。它能夠同時測量“偏向角”、“半角”和LED正、反向電流、電壓等特性參數(shù)。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。

6.2發(fā)光二極管的應用

6.2.1數(shù)字、文字及圖像顯示

6.2.2指示、照明

6.2.3光電開關(guān)、報警、遙控、耦合

6.2.4光源

6.3半導體激光器1.半導體激光器發(fā)光機里2.SLD的主要機構(gòu)6.3.1半導體激光器的發(fā)光原理受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔1.量子躍遷EcEvE禁帶導帶價帶不穩(wěn)定過程：導帶中的電子以一定的幾率自發(fā)地與價帶中的空穴復合并以光子的形式釋放出復合所產(chǎn)生的能量。a：自發(fā)輻射光子的特點：非相干應用：LEDb:受激輻射光子的特點：相干光應用：SLDc:受激吸收應用：光探測器，太陽能電池等過程：在適當能量的光子作用下，能帶中電子獲得能量躍遷到導帶中，形成電子－空穴對。三種量子躍遷的區(qū)別與聯(lián)系受激吸收與受激輻射是互逆的過程自發(fā)輻射與受激輻射區(qū)別是是否有外來光子參與同一光電器件可以同時出現(xiàn)兩種或三種躍遷d：非輻射躍遷影響SLD的量子效率、穩(wěn)定性等，是不利因素EcEv聲子，熱躍遷△E△E這樣才能得到激光？產(chǎn)生激光的必要條件之一：受激輻射占主導地位EcEvE禁帶導帶價帶正常分布禁帶導帶價帶反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件之二：粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的方法：注入載流子－－半導體激光器強光對激光進行照射－－半導體、固體激光器氣體電離－－半導體、氣體激光器3.諧振腔工作物質(zhì)1234產(chǎn)生激光的必要條件之三：有個諧振腔EcEv光增益相干光子有無諧振腔就是LED與SLD的重要區(qū)別，LED無腔穩(wěn)定工作的條件：穩(wěn)定工作的條件之一：適合的諧振腔L穩(wěn)定工作的條件之二：光增益g等于或大于總損耗閾值增益，閾值電流在腔內(nèi)傳播的平面波：L在兩個腔面間來回反射后：結(jié)論：每個整數(shù)m都對應一個頻率或一個震蕩的縱模模式縱模分布I增益曲線損耗曲線增益曲線2個以上的縱模激勵的LD稱為多縱模LD僅有一個縱模激勵的LD稱為單縱模LDLD的發(fā)光過程：注入電流，即注入載流子在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，導帶電子不穩(wěn)定，少數(shù)電子自發(fā)躍遷到到價帶，產(chǎn)生光子光子被導帶中的電子吸收躍遷到價帶，同時釋放出2個相干光子，即光子在適當?shù)那粌?nèi)振蕩放大光子穩(wěn)定振蕩，光能量大于總損耗，LD開始工作

基本結(jié)構(gòu)：驅(qū)動電源、工作物質(zhì)、諧振腔二、SLD的主要結(jié)構(gòu)驅(qū)動電源注入式、光激勵、電子束偏轉(zhuǎn)驅(qū)動電源同質(zhì)（PN結(jié)型）結(jié)激光器、異質(zhì)結(jié)激光器、分布反饋式半導體激光器諧振腔法布里-珀羅腔、圓柱腔、矩形腔、三角形腔6.4光電耦合器件

6.4.1光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號

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，在實際應用中它具有許多特點，成為重要的器件。

用來制造光電耦合器件的發(fā)光元件與光電接收元件的種類都很多，因而它具有多種類型和多種封裝形式。本節(jié)僅介紹幾種常見的結(jié)構(gòu)。

1.光電耦合器件的結(jié)構(gòu)

光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)如圖6-28所示，圖6-28（a）為發(fā)光器件（LED）與光電接收器件（光電二極管或光電三極管等）被封裝在黑色樹脂外殼內(nèi)構(gòu)成光電耦合器件。圖6-28（b）者將發(fā)光器件與光電器件封裝在金屬管殼內(nèi)構(gòu)成的光電耦合器件。使發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。

光電耦合器件的電路符號如圖6-29所示，圖中的發(fā)光二極管泛指一切發(fā)光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。

圖6-30所示為幾種不同封裝的光電耦合器，圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般在4~12mm，分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運動速度等參數(shù)。這中封裝的器件常被稱為光電開關(guān)。

圖中（d）反光型光電耦合器，LED和光電二極管封裝在一個殼體內(nèi)，兩者發(fā)射光軸同接收光軸夾一銳角，LED發(fā)出的光被測物體反射，并被光電二極管接收，構(gòu)成反光型光電耦合器。圖中（e）為另一種反光型光電耦合器，LED和光電二極管平行封裝在一個殼體內(nèi)，LED發(fā)出的光可以在較遠的位置上放置的器件反射到光電二極管的光敏面上。顯然，這種反光型光電耦合器要比成銳角的耦合器作用距離遠。圖中（f）DIP封裝形式的光電耦合器件。這種封裝形式的器件有多種，可將幾組光電耦合器封裝在一片DIP中，用作多路信號隔離傳輸。

3.光電耦合器件的特點

⑴

具有電隔離的功能

⑵

信號單向傳輸方式

⑶

具有抗干擾和噪聲的能力

⑷

響應速度快

⑹即具有耦合特性又具有隔離特性⑸

實用性強

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。如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點Q，它所對應的發(fā)光電流為IFQ，對應的集電極電流為ICQ，

因此該點的電流傳輸比為βQ=ICQ/IFQ╳100%（6-19）如果工作點選在靠近截止區(qū)的Q1點時，雖然發(fā)光電流IF變化了ΔIF，但相應的ΔIC1，變化量卻很小。這樣，β值很明顯地要變小。同理，當工作點選在接近飽和區(qū)Q3點時，β值也要變小。這說明工作點選擇在輸出特性的不同位置時，就具有不同的β值。

因此，在傳送小信號時，用直流傳輸比是不恰當?shù)模鴳斢盟x工作點Q處的小信號電流傳輸比來計算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。用β來表示。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值很接近值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點設計在線性工作區(qū)；對于開關(guān)使用狀態(tài)，由于不關(guān)心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在實際使用中直流傳輸比又便于測量，因此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。

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?。划擨F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。

(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最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應相應降低。

圖6-35示出了一個光電耦合器件的頻率曲線。圖中RC為光電耦合器的負載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負載電阻值有關(guān)。減小負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特性用輸出端的上升時間tr和下降時間tf描述。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應特性曲線。

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來描素。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用的耐壓高達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1091013Ω之間。它與耐壓密切相關(guān)，它與β的關(guān)系和耐壓與β的關(guān)系一樣。~3.光電耦合器件的抗干擾特性

(1)光電耦合器件抗干擾強的原因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)。

(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)干擾最為嚴重。這些干擾信號的波形如圖6-37（a）所示。設每個干擾脈沖寬度為1μs，重復頻率為500kHz。經(jīng)過傅立葉變換，得到含有各種頻率的序列余弦函數(shù)

U(t)=A/2+(2

A/π)cos2πFt－(2

A/3π)cos2π3Ft+(2

A/5π)cos2π5Ft…(6-21)

由上式可以看出，其的直流分量為，交流分量的幅度隨頻率的升高逐級減弱。可以用一次分量來近似地表示整個的交流分量

而不會帶來太大的誤差。

Uf(t)=2

A/πcos2πFt(6-22)

如圖6-38