第六章發(fā)光器件與光電耦合器件

第6章發(fā)光器件與光電耦合器件

通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對(duì)光電技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。按激發(fā)的方式可將冷光源分為光致發(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。本章主要介紹目前已得到廣泛應(yīng)用的注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件及光電耦合器件。

LED的發(fā)展歷史1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光LED，發(fā)光效率0.1lm/w1968年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1lm/w,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1lm/wLED（LightingEmittingDiode）LED的發(fā)展歷史80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到40—50lm/w1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04lm/w90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然為該技術(shù)白光LED光譜實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的熒光燈譜線－－混合光譜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)，例如：體積小、重量輕，便于集成；工作電壓低、耗電小、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便，便于計(jì)算機(jī)控制；既有單色性好的單色發(fā)光二極管，又有發(fā)白光的發(fā)光二極管。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

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EG1＝0.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，p-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)0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)GaAs／AIGaAs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50μm，厚度小于2.5μm。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)1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP／InP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50～70μm，長(zhǎng)度為100～150μm。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°。

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)λ與躍遷前后的能量差ΔE之間的關(guān)系為λ＝hc／ΔE。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)GaAs1—xPx中的x值不同時(shí)，峰值波長(zhǎng)在620～680nm之間變化，譜線半寬度大致為20～30nm。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0.2~0.3nm/℃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；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。

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τr和τrn，其中輻射復(fù)合率與1/τr成正比，無(wú)輻射復(fù)合率為1/τrn，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),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。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，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3～4）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ηex，即(6-2)

對(duì)GaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[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％。

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。

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。

不同材料制得的LED響應(yīng)時(shí)間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時(shí)間＜10-9S，GaP為10-7S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統(tǒng)當(dāng)光線以近法線入射時(shí)，反射比和透射比分別為：如普通玻璃，反射比大約為4%透射比大約為70.2%，n2改為樹脂（1.5），透射比則為84.9%通常發(fā)光二極管的發(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。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，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)

如圖6-7所示為GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs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ηin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。電壓小于開啟點(diǎn)的電壓值時(shí)無(wú)電流，電壓一超過(guò)開啟點(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

i＝ioexp(U/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、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光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合6.2.4光源靜態(tài)顯示方式工作特點(diǎn)：缺點(diǎn)是電路中占用I/O口資源多；優(yōu)點(diǎn)是占用CPU機(jī)時(shí)少，顯示穩(wěn)定可靠動(dòng)態(tài)顯示方式工作特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是占用I/O資源少；缺點(diǎn)是需用軟件程序不斷地循環(huán)掃描定時(shí)刷新，因而用了CPU的大多數(shù)機(jī)時(shí)。藍(lán)、綠、白光LED室外大LED全彩色屏幕LED交通信號(hào)燈城市建筑裝飾燈光工程花旗銀行大廈白光LED射燈白光LED(1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功)

固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)（連續(xù)10年）低電壓工作是照明領(lǐng)域的又一次革命基于藍(lán)光LED，通過(guò)熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光通過(guò)紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過(guò)三基色粉，組合成為白光美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃從2000年起國(guó)家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈取代每年節(jié)電達(dá)350億美元2015年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)日本21世紀(jì)照明計(jì)劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體照明燈存在的問(wèn)題價(jià)格過(guò)高發(fā)光效率還不夠高性價(jià)比低還不到民眾普及的時(shí)刻半導(dǎo)體照明的壽命實(shí)際上還涉及多方面的問(wèn)題，與理論壽命有差距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4~12mm，分開的目的是要檢測(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。2、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，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)1010~l012Ω，擊穿電壓高達(dá)100~25kV，耦合電容小于1PF。

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

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。

⑷響應(yīng)速度快

⑹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。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。

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傳輸特性與隔離特性。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。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βQ=ICQ/IFQ╳100%（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ΔIF，但相應(yīng)的ΔIC1，變化量卻很小。這樣，β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)，β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β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β來(lái)表示。即β=ΔIc/ΔIF╳100%(6-20)

對(duì)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(diǎn)設(shè)計(jì)在線性工作區(qū)；對(duì)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(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(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。(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)描述。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1091013Ω之間。它與耐壓密切相關(guān)。~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)。(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1μs，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/π)cos2πFt－(2A/3π)cos2π3Ft+(2A/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(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)=2

A/πcos2πFt(6-22)

如圖6-38所示，繼電器開關(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=lkΩ。顯然，Z＜＜Z。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)

根據(jù)式（6-22），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，繼電器工作在30V以下，繼電器開關(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6.5光電耦合器件的應(yīng)用

6.5.1、用于電平轉(zhuǎn)換

工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號(hào)脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為－22V，CMOS則為5~20V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實(shí)現(xiàn)。

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。

6.5.2用于邏輯門電路

利用光電耦合器件可以構(gòu)成各種邏輯電路，圖6-40所示為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時(shí)輸入高電平"1"，則兩個(gè)發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個(gè)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(gè)為低電平“0”，則輸出光電三極管中必有一個(gè)不導(dǎo)通，使得輸出信號(hào)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。acdb

圖6-41所示典型應(yīng)用電路中左側(cè)的輸入電路電源為13.5V的HTL邏輯電路，中間的中央運(yùn)算器、處理器等電路為+5V電源，后邊的輸出部分依然為抗干擾特性高的HTL電路。

將這些電源與邏輯電平不同的部分耦合起來(lái)需要采用光電耦合器。

輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合器送至中央運(yùn)算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過(guò)光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介

6.5.3、隔離方面的應(yīng)用

有時(shí)為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號(hào)分