第6章 發(fā)光器件及光電耦合器件

1、 1 1、發(fā)光二極管（、發(fā)光二極管（LEDLED）的結(jié)構(gòu)、工作原理與特性）的結(jié)構(gòu)、工作原理與特性 2 2、半導(dǎo)體激光器（、半導(dǎo)體激光器（LDLD）的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理與特性）的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理與特性 3 3、光電耦合器件的特性及應(yīng)用、光電耦合器件的特性及應(yīng)用重點：重點：LED與與LD發(fā)光機理的主要區(qū)別；利用光電耦合器件構(gòu)成各種發(fā)光機理的主要區(qū)別；利用光電耦合器件構(gòu)成各種邏輯電路及特點。邏輯電路及特點。光源光源熱輻射光源熱輻射光源氣體放電光源氣體放電光源固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器激光器太陽太陽白熾燈、鹵鎢燈白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器黑體輻射器汞燈汞燈熒光燈熒光燈鈉燈鈉燈氙燈氙燈金屬鹵化物燈金屬鹵化物

2、燈空心陰極燈空心陰極燈場致發(fā)光燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管發(fā)光二極管氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器染料激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器溫度輻射溫度輻射發(fā)光發(fā)光光致發(fā)光光致發(fā)光陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光放射線發(fā)光放射線發(fā)光電致發(fā)光（電致發(fā)光（注入式注入式電發(fā)光電發(fā)光 ）激發(fā)輻射激發(fā)輻射冷光源冷光源LED (Light emitting diode)l6.1 發(fā)光二極管的基本工作原理與特性發(fā)光二極管的基本工作原理與特性 6.1.1 6.1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機理發(fā)光二極管的發(fā)光機理 發(fā)光二極管（即發(fā)光二極管（即LEDLED）是一種）是一種注入電致發(fā)光注入電致發(fā)光器件，器件，它由它由P

3、P型和型和N N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為PNPN結(jié)結(jié)( (同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)) )注入發(fā)光注入發(fā)光( (發(fā)光在發(fā)光在p p區(qū)區(qū)) )與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光( (發(fā)光在發(fā)光在n n區(qū)區(qū)) )兩種。兩種。 l1. PN1. PN結(jié)（結(jié)（同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)）注入發(fā)光）注入發(fā)光 PN PN結(jié)處于平衡時，結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖能帶如圖6-1 6-1 所示。當(dāng)所示。當(dāng)加正偏壓時，加正偏壓時，PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)勢勢壘降低壘降低，從擴散區(qū)注入，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要斷地復(fù)合發(fā)光，并

4、主要發(fā)生在發(fā)生在p p區(qū)區(qū)。 hu = EgEg(b)V(a)pn+EgeUDEFpn+Electron in CBHole in VBEcEvEcEvEFeUDElectron energy問題問題：這和普通二極管的工作狀態(tài)一樣嗎？為什么普通：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)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？光二極管能發(fā)光嗎？e(UD-U)2. 2. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 禁帶寬的禁帶寬的p p區(qū)成為注入源，區(qū)成為注入源，禁帶窄的禁帶窄的n n區(qū)區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)成為載流子復(fù)合發(fā)光的光的發(fā)光區(qū)發(fā)

5、光區(qū). . 由于由于n n區(qū)所發(fā)射的光子能量區(qū)所發(fā)射的光子能量hvhv比比p p區(qū)的禁帶寬度小得區(qū)的禁帶寬度小得多，它進入多，它進入p p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。l1. 1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 光從尾纖輸出，光從尾纖輸出，有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，光束的水平、垂直發(fā)散角有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，光束的水平、垂直發(fā)散角均為均為120120。l2. 2. 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管 光輻射從光輻射從端面端面射出。邊發(fā)光射出。邊發(fā)光LEDLED的方向性比面發(fā)光器件要的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為好，其發(fā)散角水平方向為25253535，垂直方向為

6、，垂直方向為120120。 l1.1.發(fā)光光譜和發(fā)光效率發(fā)光光譜和發(fā)光效率 描述光譜分布的兩個主要參量：描述光譜分布的兩個主要參量：峰值波長和發(fā)光強度的半寬度峰值波長和發(fā)光強度的半寬度( (表示發(fā)光管的光譜純度表示發(fā)光管的光譜純度 ) )。峰值波長由材料的禁帶寬度決定。峰值波長由材料的禁帶寬度決定。=hc/=hc/E=hc/EE=hc/Eg g 與峰值波長對應(yīng)的光子能量與峰值波長對應(yīng)的光子能量EEg g 發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光效率，發(fā)光效率，單位單位lm/Wlm/W；或光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為或光強度與注入電流之比稱

7、為發(fā)光效率，單位為cdcdA A（坎（坎/ /安）。安）。GaAsGaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率輸出輻射功率與輸入電功率的百的百分比表示。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)部量子效率為內(nèi)部量子效率為 nrrieoin11nnn neoeo為每秒發(fā)射出的光子數(shù)為每秒發(fā)射出的光子數(shù), ,n ni i為每秒注入到器件的電子數(shù)為每秒注入到器件的電子數(shù), ,r r是輻射復(fù)合的載流子壽命是輻射復(fù)合的載流子壽命, ,rnrn是無輻射復(fù)合的載流子壽命。只是無輻射復(fù)合的載流子壽命。只有有nrnrr

8、r，才能獲得有效的光子發(fā)射。，才能獲得有效的光子發(fā)射。 外部量子效率外部量子效率exex: :單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)n nexex除以除以單位時間內(nèi)注入到器件的電子單位時間內(nèi)注入到器件的電子- -空穴對數(shù)空穴對數(shù)n ni i，即，即exexinn(6-2) 對對 GaAsGaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，這類直接帶隙半導(dǎo)體，inin可接近可接近100100。但。但exex很小很小l2. 2. 時間響應(yīng)特性與溫度特性時間響應(yīng)特性與溫度特性 提高外部量子效率提高外部量子效率的措施：的措施： 用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n n2

9、 2 =1.55 =1.55）涂）涂敷在發(fā)光二極管上；敷在發(fā)光二極管上； 把晶體表面加工成半球形；把晶體表面加工成半球形； 用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。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管熄滅的時間。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于短于1s1s。發(fā)光二極。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。躍遷的幾率。 溫度特性：溫度特性：

10、通常通常發(fā)光二極管的外部發(fā)發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均光效率均隨溫度上升隨溫度上升而下降而下降。l3. 3. 發(fā)光亮度與注入電流的關(guān)系發(fā)光亮度與注入電流的關(guān)系 發(fā)光亮度發(fā)光亮度L L與電子擴散電流與電子擴散電流i idndn之之間的關(guān)系為間的關(guān)系為 ReiLdn是載流子輻射復(fù)合壽命是載流子輻射復(fù)合壽命R R和非和非輻射復(fù)合壽命輻射復(fù)合壽命nrnr的函數(shù)的函數(shù) l4. 4. 最大工作電流最大工作電流 工作電流工作電流 : : 幾幾mA mA 幾十幾十 mAmA最大電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率時的值。若最大電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率時的值。若LEDLED的最大功耗為的最大功耗為P Pmaxmax，則其

11、最大的電流為則其最大的電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max r rd d為為LEDLED的內(nèi)阻；的內(nèi)阻；I If f、U Uf f均為它在較小電流時的電流和壓降。均為它在較小電流時的電流和壓降。 l5. 5. 伏安特性伏安特性 iioexp(qU/mkT)m m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i i0.1mA I Ic c , ,即即電流傳輸比一般小于電流傳輸比一般小于1 1。光電耦合器件的電流傳輸比光電耦合器件的電流傳輸比隨發(fā)光電流隨發(fā)光電流I IF F的變化而變化。的變化而變化。(2) (2) 輸入與輸出間的

12、寄生電容輸入與輸出間的寄生電容C CFCFC對于一般的光電耦合器件，其對于一般的光電耦合器件，其C CFCFC僅僅為幾個僅僅為幾個pFpF，一般在中頻范圍，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工作。內(nèi)都不會影響電路的正常工作。(3) (3) 最高工作頻率最高工作頻率f fm m 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，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，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，最高工作頻率最高工作頻率f fm m接近于接近于10MHz10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。，

13、其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。 （4 4）脈沖上升時間）脈沖上升時間t tr r和下降時間和下降時間t tf f l2.2.隔離特性隔離特性 (1) (1) 輸入與輸出間隔離電壓輸入與輸出間隔離電壓BVBVCFOCFO 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，隔離電壓電壓( (與發(fā)光器件和接收器件的距離有關(guān)與發(fā)光器件和接收器件的距離有關(guān)) )成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。器件。 (2) (2)輸入與

14、輸出間的絕緣電阻輸入與輸出間的絕緣電阻R RFCFC 光電耦合器的隔離電阻一般在光電耦合器的隔離電阻一般在10109 - 9 - 10101313之間。它與耐壓密切之間。它與耐壓密切相關(guān)相關(guān). .l3.3.光電耦合器件的抗干擾特性光電耦合器件的抗干擾特性 (1)(1)光電耦合器件抗干擾強的原因光電耦合器件抗干擾強的原因 光電耦合器件的光電耦合器件的輸入阻抗很低輸入阻抗很低，一般為，一般為10-1k10-1k；而干；而干擾源的內(nèi)阻很大，為擾源的內(nèi)阻很大，為10103-3-10106 6。饋送到光電耦合器件輸入端的干。饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。擾噪聲變得很小。 由于由于干擾噪聲源

15、的內(nèi)阻很大干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，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。能發(fā)光。因此，被它抑制掉。 光電耦合器件的輸入、輸出是光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合用光耦合的，且被密封在管的，且被密封在管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。 光電耦合器件的輸入、輸出間光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小寄生電容很小( (為為0.5 - 2pF)0.5 - 2pF)，絕緣電阻大絕緣電阻大( (為為101011-11-1010131

16、3)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通，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)。過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。 (2)(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算 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。擾最為嚴(yán)重。干擾光電耦合器工作的

17、最小電壓脈沖的幅值為干擾光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為 Umin=250V（干擾脈沖頻率500kHz、脈寬1微妙） 在實際應(yīng)用中，繼電器的工作電壓一般小于在實際應(yīng)用中，繼電器的工作電壓一般小于30V30V，繼電器開關(guān)引，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于起的干擾脈沖絕不可能高于250V 250V ，因此，不會干擾耦合器。即，因此，不會干擾耦合器。即光電耦合器可以抑制所有干擾源的干擾信號。光電耦合器可以抑制所有干擾源的干擾信號。 6.5.1 6.5.1 用于電平轉(zhuǎn)換用于電平轉(zhuǎn)換 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

18、輸入與輸出電路完全隔離。而且使輸入與輸出電路完全隔離。 l6.5.2 6.5.2 用于邏輯門電路用于邏輯門電路 光電耦合器件還可以構(gòu)成光電耦合器件還可以構(gòu)成與非、或、或非、異或與非、或、或非、異或等邏輯電路等邏輯電路 l6.5.3 6.5.3 用于開關(guān)電路用于開關(guān)電路 當(dāng)無脈沖信號輸入時，三極管當(dāng)無脈沖信號輸入時，三極管BGBG處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光，則電流流過不發(fā)光，則a a、b b兩端電阻非常大，相當(dāng)于開關(guān)兩端電阻非常大，相當(dāng)于開關(guān)“斷斷開開”。當(dāng)輸入端加有脈沖信號時，。當(dāng)輸入端加有脈沖信號時，BGBG導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，則則a a、b b兩端電阻變得很小，相當(dāng)于開關(guān)兩端電阻變得很小，相當(dāng)于開關(guān)“接通接通”。圖（圖（b b）所示電路則為）所示電路則為“常閉常閉”狀態(tài)，因為無信號輸入時，雖狀態(tài)，因為無信號輸入時，雖BGBG截止，但發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光，使截止，但發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光，使a a、b b兩端處于導(dǎo)兩端處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于