發(fā)光器件與光電耦合器件.ppt

第6章發(fā)光器件與光電耦合器件,一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源。,光源,一、光電儀器中的常用光源,按照發(fā)光機(jī)理，光源可以分為如下幾類：,熱輻射光源,氣體放電光源,固體發(fā)光光源,激光器,太陽(yáng)白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器,汞燈、熒光燈、鈉燈氙燈、金屬鹵化物燈氘燈、空心陰極燈,場(chǎng)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,由物體溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱輻射光源。,由于物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為激發(fā)輻射，其光源被稱為冷光源。,冷光源按激發(fā)方式分可分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。,（1）輻射效率和發(fā)光效率,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需要的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。,（1）輻射效率和發(fā)光效率,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率。,單位為lm/W,（1）輻射效率和發(fā)光效率,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),（2）光譜功率分布,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。若令其最大值為1，得到相應(yīng)歸一化的光譜功率分布，稱為相對(duì)光譜功率分布。,光源的光譜功率分布通?？煞譃樗姆N情況：線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜、混合光譜。,（2）光譜功率分布,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),（3）空間光強(qiáng)分布,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的。若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。,在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。,（3）空間光強(qiáng)分布,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),（4）光源的色溫,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)于非黑體輻射，它的某些特性常用黑體輻射的特性來(lái)近似地表示。對(duì)于一般光源，常用用分布溫度、色溫和相關(guān)色溫表示。,分布溫度：輻射源在某一波段范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱該輻射源的分布溫度。,（4）光源的色溫,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。,相關(guān)色溫：在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。,（4）光源的色溫,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),（4）光源的色溫,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),（5）光源的顏色,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),光源的顏色包含了兩方面的含義：色表和顯色性。,用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。,當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺(jué)）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。,顯色性較好的光源，適用于辯色要求較高的場(chǎng)合。,（5）光源的顏色,一、光電儀器中的常用光源,1、光源的基本特性參數(shù),顯色指數(shù)：用來(lái)準(zhǔn)確描述光源顯色性的一種參數(shù)，用Ra表示。太陽(yáng)光的顯色性Ra=100(即任何物體在太陽(yáng)光的照射下，該物體具有最真實(shí)的顏色或質(zhì)感)。,顯色性好（Ra70）,顯色性差(Ra65),一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。,物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。熱輻射源遵循有關(guān)黑體輻射定律。,（1）太陽(yáng),一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,（2）黑體模擬器,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,角度特性和光譜特性與理想黑體特性相似的輻射源，稱為黑體模擬器。,目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實(shí)際應(yīng)用的大多是2000K以下。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見(jiàn)光的電光源。,結(jié)構(gòu)：普通白熾燈泡的主要部件是玻殼和燈絲。,玻殼一般用透明玻璃制成。為避免燈絲眩光，對(duì)玻殼可進(jìn)行內(nèi)涂覆或磨砂處理，以形成光的漫反射。為加強(qiáng)某一方向的發(fā)光強(qiáng)度，還在玻殼上蒸涂鋁反射層。一些特殊用途的燈泡采用彩色玻璃。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,燈絲又稱白熾體。是燈泡的發(fā)光體,常用鎢制成單螺旋絲或雙螺旋絲。,燈絲有如下基本要求：熔點(diǎn)溫度高。蒸發(fā)速率小。輻射選擇性好。機(jī)械加工性能好。在高溫下能充分定型。有較大的電阻率。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,白熾燈有真空鎢絲白熾燈、充氣鎢絲白熾燈和鹵鎢燈等，光輻射由鎢絲通電加熱發(fā)出的。,真空鎢絲白熾燈的工作溫度為23002800K，光效為10lm/W。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,白熾燈有真空鎢絲白熾燈、充氣鎢絲白熾燈和鹵鎢燈等，光輻射由鎢絲通電加熱發(fā)出的。,真空鎢絲白熾燈的工作溫度為23002800K，光效為10lm/W。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,充氣鎢絲白熾燈由于在燈泡中充入和鎢不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氬、氮等惰性氣體，使由燈絲蒸發(fā)出來(lái)的鎢原子在和惰性氣體原子碰撞時(shí)，部分鎢原子能返回?zé)艚z。這樣可以有效地抑制鎢的蒸發(fā)，從而使白熾燈的工作溫度提高到27003000K，相應(yīng)的光效提高到17lm/W。,（3）白熾燈,一、光電儀器中的常用光源,2、熱輻射源,如果在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)，就構(gòu)成了鹵鎢燈。鹵鎢燈的工作溫度為3200K，光效為30lm/W。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。,制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極，電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中獲得能量，使內(nèi)層電子躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外輻射。這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,氣體放電光源的分類：,（1）按氣體放電類型分：輝光放電燈、弧光放電燈、高頻放電燈等（2）按放電時(shí)燈內(nèi)氣體壓強(qiáng)分：低壓放電燈、高壓放電燈和超高壓放電燈（3）按放電發(fā)光物質(zhì)的種類分：汞燈、鈉燈、各種金屬鹵化物燈和稀有氣體燈（4）按燈的電極形式分：冷陰極氣體放電燈、熱陰極氣體放電燈和無(wú)極氣體放電燈,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,氣體放電光源的特點(diǎn)：,（1）發(fā)光效率高（2）結(jié)構(gòu)緊湊（3）壽命長(zhǎng)（4）光色適應(yīng)性強(qiáng),一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（1）汞燈,利用汞放電時(shí)產(chǎn)生汞蒸氣獲得可見(jiàn)光的電光源。,汞燈又分低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈。,低壓汞燈：低壓汞燈點(diǎn)燃時(shí)汞蒸氣壓小于一個(gè)大氣壓，此時(shí)汞原子主要輻射波長(zhǎng)為253.7nm和185nm的紫外線。,低壓汞燈有兩類：冷陰極輝光放電燈和熱陰極弧光放電燈。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（1）汞燈,高壓汞燈：當(dāng)汞燈內(nèi)的蒸汽壓達(dá)到15大氣壓時(shí)，汞燈電弧的輻射光譜就會(huì)產(chǎn)生明顯變化，光譜線加寬，出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜，紫外輻射明顯減弱，而可見(jiàn)輻射增加。,高壓汞燈的發(fā)光效率達(dá)64lm/W。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（1）汞燈,球形超高壓汞燈：燈內(nèi)汞蒸氣氣壓達(dá)到1020個(gè)大氣壓，這樣燈的輻射光譜與高壓汞燈相比有明顯不同：紫外輻射減少，可見(jiàn)光輻射光譜線較寬，連續(xù)部分增加，并且紅外光譜輻射增強(qiáng)。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（2）氙燈,利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。高壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近，色溫為6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽(yáng)”之稱。,氙燈可分為長(zhǎng)弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（2）氙燈,長(zhǎng)弧氙燈：當(dāng)氙燈的電極間距為15130cm時(shí)稱為長(zhǎng)弧氙燈。它的工作氣壓一般為一個(gè)大氣壓，發(fā)光效率為2530lm/W。,長(zhǎng)弧氙燈的輻射光譜與日光接近，適于大面積照明，也可用作電影攝影、彩色照相制版、復(fù)印等方面的光源；同時(shí)，在棉織物的顏色檢驗(yàn)、藥物和塑料老化試驗(yàn)、植物栽培、光化反應(yīng)等方面，也可作模擬日光和人工老化光源。此外，大功率長(zhǎng)弧氙燈還可作為連續(xù)激光光源。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（2）氙燈,短弧氙燈：當(dāng)氙燈的電極間距縮短到毫米數(shù)量級(jí)時(shí)稱為短弧氙燈。它的工作氣壓一般為1020個(gè)大氣壓。短弧氙燈的電弧亮度很高，其陰極點(diǎn)的最大亮度可達(dá)幾十萬(wàn)坎德拉每平方厘米，電弧亮度在陰極和陽(yáng)極距離上分布是很不均勻的。,短弧氙燈常用于電影放映、熒光分光光度計(jì)以及模擬日光等場(chǎng)合。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（2）氙燈,脈沖氙燈：脈沖氙燈的發(fā)光是不連續(xù)的，能在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出很強(qiáng)的光。管內(nèi)氣壓均在一個(gè)大氣壓一下。它用高壓電脈沖激發(fā)產(chǎn)生光脈沖。脈沖氙燈廣泛用作固體機(jī)關(guān)器的光泵、照相制版、高速攝影和光信號(hào)源等方面。,短弧氙燈常用于電影放映、熒光分光光度計(jì)以及模擬日光等場(chǎng)合。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（3）熒光燈,利用熒光粉把低氣壓汞蒸氣放電過(guò)程中產(chǎn)生的紫外線轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光的電光源。一般制成管形。熒光燈的發(fā)光效率高,發(fā)光面積大,光線柔和,使用壽命長(zhǎng),可以使光色近似日光色或其他各種光色，是一種良好的室內(nèi)照明光源。,結(jié)構(gòu)熒光燈由玻管、電極、汞和惰性氣體、燈頭等部件組成。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（3）熒光燈,1971年,荷蘭的庫(kù)達(dá)姆發(fā)明三基色熒光燈。三基色熒光燈的顯色性優(yōu)良，發(fā)光效率也很高。采用稀土金屬三基色熒光粉制成的熒光燈，一般顯色指數(shù)Ra可超過(guò)90，發(fā)光效率可超過(guò)901m/W，并能在相同照度下產(chǎn)生更明亮的感覺(jué)和更舒適的視覺(jué)效果。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（3）熒光燈,發(fā)光原理熒光燈工作時(shí)，在放電過(guò)程中被電場(chǎng)加速的電子與汞原子碰撞，汞原子吸收電子的動(dòng)能而被激發(fā)。激發(fā)原子在短時(shí)間(10-810-9秒)內(nèi)又回到原來(lái)的低能量狀態(tài)。這時(shí)原子由于碰撞而吸收的能量以電磁波輻射能的形式釋放出來(lái)。在低氣壓汞蒸氣放電條件下，大部分輻射能量集中在波長(zhǎng)為253.7nm和185.0nm的兩條譜線上，其中前一條譜線占總輻射能量的90以上，起主要作用。波長(zhǎng)為253.7nm的輻射是人眼看不見(jiàn)的紫外線，它照射到玻管內(nèi)壁的熒光粉涂層上后即轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（4）金屬鹵化物燈,在普通照明用高壓汞燈的電弧管內(nèi)，加入某種金屬鹵化物或幾種金屬鹵化物的混合物而制成的一種氣體放電燈。具有發(fā)光效率高、色溫高、顯色性好等特點(diǎn)。,金屬鹵化物燈具有光效高(60100流明/瓦)、光色好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，又可做成不同色溫（24007500K）的光源,甚至通過(guò)添加某種特殊的金屬鹵化物可制成主要輻射紫外、紅外或某種特定光譜的光源。,一、光電儀器中的常用光源,3、氣體放電光源,（4）金屬鹵化物燈,工作原理金屬鹵化物燈點(diǎn)燃后，放電產(chǎn)生的熱量加熱了泡殼，附著在管壁內(nèi)的金屬鹵化物從管壁處蒸發(fā)，然后向電弧中心擴(kuò)散。當(dāng)金屬鹵化物分子擴(kuò)散進(jìn)入高溫電弧中心后，鹵化物分子在電弧的高溫下分解成金屬原子和鹵素原子。金屬原子在電弧中受激而發(fā)出該金屬的特性光譜。另一方面，電弧中心的金屬原子和鹵素原子也向管壁擴(kuò)散，而管壁溫度遠(yuǎn)低于電弧溫度。當(dāng)金屬原子和鹵素原子在比較冷的管壁區(qū)域相遇時(shí)，它們將再次化合形成鹵化物。鹵化物再向電弧中心擴(kuò)散，如此往復(fù)循環(huán)，不斷地向電弧提供金屬蒸氣，使燈不斷地輻射出強(qiáng)烈的光。,6.1發(fā)光二極管的基本工作原理與特性,1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開(kāi)始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進(jìn)十年來(lái)，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點(diǎn)。,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)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。,1.PN結(jié)注入發(fā)光,1.PN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)。,2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光,為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-13（a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時(shí)小區(qū)的勢(shì)壘降低，兩區(qū)的價(jià)帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴(kuò)散。,對(duì)n區(qū)電子，勢(shì)壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，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)（圖2-13（b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eVp-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。,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。,6.1.2基本結(jié)構(gòu),1.面發(fā)光二極管,圖6-3所示為波長(zhǎng)0.80.9m的雙異質(zhì)結(jié)GaAsAIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50m，厚度小于2.5m。一段光纖(尾纖)穿過(guò)襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，,用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，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。,2.邊發(fā)光二極管,圖6-4所示為波長(zhǎng)1.3m的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsPInP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個(gè)N型AIGaAs有源層，,及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。,為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為5070m，長(zhǎng)度為100150m。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)?535，垂直方向?yàn)?20。,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。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由材料的種類、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(wú)關(guān)。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，其波長(zhǎng)與躍遷前后的能量差E之間的關(guān)系為hcE。復(fù)合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長(zhǎng)由材料的禁帶寬度決定。,例如GsAs的峰值波長(zhǎng)出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4和GaP的發(fā)射光譜。當(dāng)GaAs1xPx中的x值不同時(shí)，峰值波長(zhǎng)在620680nm之間變化，譜線半寬度大致為2030nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長(zhǎng)在700nm附近，半寬度大約為100nm。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0.20.3nm/的比例向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強(qiáng)度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cdA（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。,發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率在平衡時(shí)，電子-空穴對(duì)的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率（包括輻射復(fù)合和無(wú)輻射復(fù)合），而復(fù)合率又分別決定于載流子壽命r和rn，其中輻射復(fù)合率與1/r成正比，無(wú)輻射復(fù)合率為1/rn，內(nèi)部量子效率為,（6-1）,式中，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),r是輻射復(fù)合的載流子壽命,rn是無(wú)輻射復(fù)合的載流子壽命。由式中可以看出，只有rnr，才能獲得有效的光子發(fā)射。,必須指出，輻射復(fù)合發(fā)光的光子并不是全部都能離開(kāi)晶體向外發(fā)射。光子通過(guò)半導(dǎo)體有一部分被吸收，有一部分到達(dá)界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。因此，將單位時(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定義為外部量子效率ex，即,(6-2),對(duì)GaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O紅光發(fā)射效率ev很小，最高為15；發(fā)綠光的GaPN的ev約為0.7；對(duì)發(fā)紅光的GaAs0.6P0.4，其ex約為0.4；對(duì)發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev約為0.1。,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：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；把晶體表面加工成半球形；用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對(duì)光吸收。,發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)快，短于1s，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。,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,r與溫度t的關(guān)系曲線。,3.發(fā)光亮度與電流的關(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),式中，是載流子輻射復(fù)合壽命R和非輻射復(fù)合壽命NR的函數(shù),如圖6-7所示為GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線。這些LED的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,在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時(shí)，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加而降低。圖6-8表示發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內(nèi)量子效率in的相對(duì)值與電流密度J及溫度T間的關(guān)系。隨著發(fā)光管電流密度的增加，pn結(jié)的溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)光效率降低。,因此，最大工作電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率的電流密度值。若發(fā)光二極管的最大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為,（6-4）,式中，rd為發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在較小工作電流時(shí)的電流和正向壓降。,5.伏安特性,發(fā)光二極管的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開(kāi)啟點(diǎn)的電壓值時(shí)無(wú)電流，電壓一超過(guò)開(kāi)啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。這時(shí)正向電流與電壓的關(guān)系為,iioexp(eV/mkT)(6-5),式中，m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i0.1mA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)m2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，m1。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.壽命,發(fā)光二極管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。,7.響應(yīng)時(shí)間,在快速顯示時(shí)，標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時(shí)間的延遲。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。它的響應(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)，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時(shí)間所許可的范圍內(nèi)。,6.1.4驅(qū)動(dòng)電路,發(fā)光二極管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LED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。,6.2發(fā)光二極管的應(yīng)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(kāi)關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合6.2.4光源,思考題與習(xí)題6,6.1為什么說(shuō)發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、孔穴的遷移率有關(guān)嗎？6.2為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？,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(hào),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。,用來(lái)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(jiàn)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（發(fā)光二極管）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(shù)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(hào)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412mm，分開(kāi)的目的是要檢測(cè)兩臂間是否存在物體，以及物體的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。這中封裝的器件常被稱為光電開(kāi)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(gè)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(cè)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(gè)殼體內(nèi)，LED發(fā)出的光可以在較遠(yuǎn)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(yuǎn)。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(hào)隔離傳輸。,3.光電耦合器件的特點(diǎn),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，所以輸入和輸出回路的電子零位可以任意選擇。絕緣電阻高達(dá)1010l012，擊穿電壓高達(dá)10025kV，耦合電容小于1PF。,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)。,具有抗干擾和噪聲的能力,它作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。,響應(yīng)速度快,即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。,實(shí)用性強(qiáng),具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般66mm)，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。,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(diǎn)Q，它所對(duì)應(yīng)的發(fā)光電流為IFQ，對(duì)應(yīng)的集電極電流為ICQ，,因此該點(diǎn)的電流傳輸比為Q=ICQ/IFQ100%（6-19）如果工作點(diǎn)選在靠近截止區(qū)的Q1點(diǎn)時(shí)，雖然發(fā)光電流IF變化了IF，但相應(yīng)的IC1，變化量卻很小。這樣，值很明顯地要變小。同理，當(dāng)工作點(diǎn)選在接近飽和區(qū)Q3點(diǎn)時(shí)，值也要變小。這說(shuō)明工作點(diǎn)選擇在輸出特性的不同位置時(shí)，就具有不同的值。,因此，在傳送小信號(hào)時(shí)，用直流傳輸比是不恰當(dāng)?shù)?，而?yīng)當(dāng)用所選工作點(diǎn)Q處的小信號(hào)電流傳輸比來(lái)計(jì)算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。,用來(lái)表示。即=Ic/IF100%(6-20)對(duì)于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，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(diǎn)設(shè)計(jì)在線性工作區(qū)；對(duì)于開(kāi)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(shí)際使用中直流傳輸比又便于測(cè)量，因此通常都采用直流電流傳輸比。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IF表示，其中與發(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隨發(fā)光電流IF的變化曲線。在IF較小時(shí)，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，因此值較??；當(dāng)IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，值將隨IF增加，而后，IF再增大，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(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。,圖6-35示出了一個(gè)光電耦合器件的頻率曲線。圖中RC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。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應(yīng)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(lái)描素。一般低壓使用時(shí)隔離特性都能滿足要求，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1091013之間。它與耐壓密切相關(guān)，它與的關(guān)系和耐壓與的關(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(qiáng)的原因光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為101k；而干擾源的內(nèi)阻很大，為103106。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。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。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。光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.52pF)，絕緣電阻大(為10111013)，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)。,(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，,其中以繼電器等電磁電器的開(kāi)關(guān)干擾最為嚴(yán)重。這些干擾信號(hào)的波形如圖6-37（a）所示。設(shè)每個(gè)干擾脈沖寬度為1s，重復(fù)頻率為500kHz。經(jīng)過(guò)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+(2A/)cos2Ft(2A/3)cos23Ft+(2A/5)cos25Ft(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(jí)減弱。,可以用一次分量來(lái)近似地表示整個(gè)的交流分量而不會(huì)帶來(lái)太大的誤差。,Uf(t)=2A/cos2Ft(6-22),如圖6-38所示，繼電器開(kāi)關(guān)干擾常由繞組與接觸點(diǎn)間的寄生電容Cs竄入光電耦合器件的輸入端。圖6-38(b)所示為它的交流等效電路。,設(shè)繼電器繞組與接觸點(diǎn)間的寄生電容Cs為2pF，則等效內(nèi)阻Zo為,(6-23),設(shè)使光電耦合的最小輸入電流為1mA，發(fā)光二極管的正向壓降為1V，故，等效輸入阻抗Z=lk。顯然，ZZ。在該回路內(nèi)，當(dāng)瞬時(shí)電流達(dá)到1mA時(shí)，干擾源的基波幅值為,(6-24),根