光電檢測發(fā)光器件

光電檢測發(fā)光器件第一頁，共七十頁，2022年，8月28日第二頁，共七十頁，2022年，8月28日

?按激發(fā)方式的不同，發(fā)光可分為光致發(fā)光，化學發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等等。第三頁，共七十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、發(fā)光二極管它是一種電致發(fā)光器件，它是一個PN結，當PN結加上正向電壓時，結區(qū)勢壘降低，P區(qū)的空穴往N區(qū)擴散，N區(qū)電子往P區(qū)擴散，電子與空穴在PN結區(qū)相遇復合釋放能量而發(fā)光。1、結構第四頁，共七十頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管（LED）按發(fā)光波長來分：紅外發(fā)光二極管；可見光發(fā)光二極管2、分類第五頁，共七十頁，2022年，8月28日3、發(fā)光原理PN結加以正向電壓時，在PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產(chǎn)生發(fā)光復合。輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg，即第六頁，共七十頁，2022年，8月28日由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長的光。第七頁，共七十頁，2022年，8月28日

(1)屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度；(2)發(fā)光響應速度快(10-7~10-9s)；(3)性能穩(wěn)定，壽命長(一般105小時以上)；(4)易于和集成電路匹配，且驅動簡單；(5)與普通光源相比，單色性好；(6)小型、耐沖擊。缺點:功率較小、光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍色)，且發(fā)光效率低。

4、優(yōu)缺點第八頁，共七十頁，2022年，8月28日二、LED的性能參數(shù)1、LED的效率⑴用于顯示的LED，使用流明效率。

流明效率ηL：用人眼衡量的效率，它表示消耗單位電功率Pi所得到的光通量F。第九頁，共七十頁，2022年，8月28日⑵用于非顯示時，使用功率效率與光學效率。功率效率ηp:將輸入的電功率Pi轉換成輻射的功率Pe的效率。光學效率ηo:外量子效率ηqe與內(nèi)量子效率ηqi之比。第十頁，共七十頁，2022年，8月28日

內(nèi)量子效率ηqi:輻射復合所產(chǎn)生的光子數(shù)NT1與激發(fā)時注入的電子孔穴對數(shù)G之比。

外量子效率ηqe：射出的光子數(shù)NT與注入的電子孔穴對數(shù)G之比。

量子效率是指注入載流子復合而產(chǎn)生的光量子效率。第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2、發(fā)光光譜

指發(fā)光的相對強度（或能量）隨波長（或頻率）變化的分布曲線。第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日3、伏安特性通過發(fā)光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。UT為開啟電壓。U＞UT時，二極管導通發(fā)光。U＜UT時，二極管截止不發(fā)光。UT的大小與材料、工藝等因素有關。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓一般在－5V以上。第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于電流密度。這種性質，對于采用脈沖驅動的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。4、發(fā)光亮度第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日5、溫度特性溫度對PN結的復合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關系大致如上圖所示。第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日6、壽命☆發(fā)光二極管的壽命都很長，在電流密度j＝1A/cm2的情況下，一般可達106h，最長可達109h。☆電流密度對二極管的壽命是有影響的，電流密度大時，發(fā)光亮度高，壽命就會很快縮短。第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日7、響應時間☆指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時的時間延遲。☆發(fā)光二極管的響應時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒?！町斃妹}沖電流去驅動發(fā)光二極管時，應考慮到脈沖寬度、占空比與響應時間的關系。第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日三、發(fā)光二極管的應用及使用要點⑴數(shù)字、文字、圖像顯示；⑵指示、照明；⑶光源；⑷光電開關、報警、遙控、耦合；1、應用第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日2、使用要點⑴開啟電壓

發(fā)光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日⑵溫度特性

利用發(fā)光二極管和硅的受光器件進行組合使用時，應注意到二者的溫度特性是相反的。

溫度升高時，發(fā)光二極管的電光轉換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉換效率卻是增加的。所以使用時，應把二者放到一起考慮，注意其組合后的整體溫度特性。第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日⑶方向特性

發(fā)光二極管一般都帶有圓頂?shù)牟ＡТ埃斃盟褪芄馄骷M合時，應注意到這一結構上的特點。發(fā)光管與受光管二者對得不準時，效果會變得很差。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日1、LED的缺點是（）A、發(fā)光效率低B、性能穩(wěn)定，壽命長C、小型D、響應速度快2、LED的優(yōu)點（ ）A、壽命短 B、體積小C、功耗大 D、發(fā)光效率高3、發(fā)光二極管的工作條件是（ ）A、加熱 B、加正向偏壓C、加反向偏壓 D、光照測試題第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日第二節(jié)、激光器激光器是一種新型光源，和鎢絲燈等常見光源相比，有許多突出的特點，例如，方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等。激光的發(fā)散角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日一、激光的產(chǎn)生1、受激輻射原子在兩個能級之間躍遷有三種情況，設E1為基態(tài)，E2為激發(fā)態(tài)。這二能態(tài)之間的任何躍遷都伴隨著發(fā)射或吸收頻率為ν12的光子。第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

⑴吸收過程：常溫下大部分原子處于基態(tài)。如過能量正好等于hν12的光子碰擊此系統(tǒng)時，處于基態(tài)的原子會吸收光子而進入激發(fā)態(tài)。第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日

⑵自發(fā)發(fā)射過程：原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在沒有任何外界刺激的條件下，有自發(fā)返回基態(tài)的趨勢，并放出能量為hν12的光子。第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日

⑶受激輻射過程：當能量為hν12的入射光子激勵已處于激發(fā)態(tài)的原子后，原子因受激而躍回基態(tài)，并發(fā)射出頻率、相位和方向都與入射光子相同的能量為hν12的光子。第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日在激光物質中，外來的光子hν12可以引起激發(fā)態(tài)原子的受激輻射，但也可能被基態(tài)原子所吸收，這兩個過程是同時存在的，且受激輻射與吸收的幾率可能具有相同的數(shù)量級。在常溫下基態(tài)原子比激發(fā)態(tài)原子多得多，故總吸收多于總發(fā)射。要產(chǎn)生激光，必須使總發(fā)射率大于總吸收率。第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日2、分布反轉（粒子數(shù)反轉）要使激光工作物質的受激輻射占優(yōu)勢，就必須從外部給工作物質輸入能量，使處于激發(fā)態(tài)的載流子多于基態(tài)的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉過來，稱之為分布反轉狀態(tài)（粒子數(shù)反轉）。

分布反轉是使受激輻射從次要地位轉化為主導地位的必要條件。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日分布反轉的方法有：☆固體激光器多采用光譜適當?shù)膹姽鈱す馕镔|進行照射；☆氣體激光器多采用使氣體電離的方法；☆半導體激光器多采用注入載流子的方法，使處于基態(tài)的原子躍遷到激發(fā)態(tài)，并隨著受激輻射的損耗，不斷地補充高能原子。第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日3、共振腔為了使發(fā)射光具有激光的特點，還必須產(chǎn)生“振蕩”。產(chǎn)生振蕩的方法是在激光物質的兩側放置相互平行的反射面，這種反射面組稱為共振腔。第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日自發(fā)發(fā)射的方向不與共振腔軸線平行的光子將被反射出腔外，而平行的自發(fā)發(fā)射光子才能促使形成受激輻射。也就是說，這些與腔軸平行的光子在腔內(nèi)兩個反射面上來回反射，反復地通過工作物質，依靠受激輻射，光子每通過一次工作物質便得到一次增益，使光子數(shù)不斷增長，所以共振腔是產(chǎn)生激光的又一必要條件。第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日如果光子在腔內(nèi)來回一次所感生出來的光子數(shù)比損耗掉的多得多，便可產(chǎn)生激光振蕩。同時光子在兩個反射面之間來回反射形成了兩列相反方向傳播的波，只有這兩列波疊加而在腔內(nèi)形成駐波時，這種振蕩才是穩(wěn)定的。第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件是共振腔的長度L恰好等于輻射光半波長的整數(shù)倍。即：激光器一般是由工作物質、諧振腔和泵浦（pu3）源組成。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日二、氦氖激光器氦氖激光器的工作物質是氦氖混合氣體，利用氣體電離的方法使粒子數(shù)反轉。主要發(fā)光物質是氖氣。氦氖激光器能夠發(fā)出三種波長的譜線：632.8nm：（桔紅色）最常用；1.15μm；3.39μm；第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日⑴單色性好，顏色非常純，相干長度達幾十千米。⑵方向性強，光束發(fā)散角很小，只有幾毫弧度，激光束幾乎是一條直線。⑶結構簡單，緊湊，穩(wěn)定性好。⑷造價低廉，使用方便。優(yōu)點第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

氦氖激光器以直流電源驅動，輸出光功率可達0.3mW～15mW以上。從結構上分：第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日⑴全外腔激光器：

優(yōu)點是：輸出線偏振光；反射鏡可以隨時調整，適于多種實驗要求；受溫度影響較小。

缺點是：經(jīng)常需要調整，而調整技術又比較復雜，因而使用不便。⑵全內(nèi)腔激光器：

優(yōu)點是：使用時不需要調整諧振腔，使用方便。

缺點是：腔管受溫度影響較大，輸出不穩(wěn)定。⑶半內(nèi)腔激光器：它具有上述兩種結構的優(yōu)點。第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日三、半導體激光器分類⑴電子束激勵的半導體激光器⑵注入式半導體激光器

小功率半導體激光器大功率半導體激光器第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日1、結構和工作原理㈠PN結型二極管注入式激光器半導體激光器的工作物質是半導體材料。P-N結就是激活介質，與結平面垂直的兩個對應的晶體解理面（拋光面）構成了諧振腔。其余的前后兩面是粗糙的，用來消除主要方向以外的激光作用。當P-N結正向注入電流時，則可激發(fā)激光。第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日注入式半導體激光器的工作過程是，加外電源使PN結進行正偏置。正向電流達到一定程度時，PN結區(qū)即發(fā)生導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉。這時，導帶中的電子會有一部分發(fā)生輻射躍遷，同時產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導體之間。通過這種光子的誘導，即可使導帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會進一步去誘導導帶中的其它電子產(chǎn)生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔兩端發(fā)射出激光。只要外電源不斷的向PN結注入電子，導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉就會繼續(xù)下去，受激輻射即可不停地發(fā)生，這就是注入式半導體激光器的發(fā)光過程。第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日2、主要特性⑴激光閾值

閾值：在激光器中，要維持激光振蕩，不僅需要使光子的生產(chǎn)速率超過吸收速率，而且還要超過光子在結區(qū)的損耗率。這種剛好低償吸收與損耗的光子生產(chǎn)率叫閾值。第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日①激光器長度L——L越大，閾值電流越??；②結區(qū)表面的透過損耗——該損耗越大，閾值電流越大；③激光器的表面反射率——反射率越大，閾值電流越?。虎軠囟取撝惦娏麟S溫度的升高而增大；影響閾值的因素：第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

半導體激光器的閾值電流都比較高，由于激光器工作時需要的電流很大，電流通過結和串聯(lián)電阻時，將使結的溫度上升，這又導致閾值電流上升。所以閾值電流很高的激光器，通常用脈沖電流來激勵，以降低平均熱損耗。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日⑵頻譜分布☆結型激光器的頻譜分布取決于組成激光器半導體材料。適當選擇有激光作用的半導體材料，可以得到不同的激光波長。☆根據(jù)材料及結構的不同，目前半導體激光器的波長為0.33μm~44μm?！顑?yōu)點：體積小、重量輕、效率高、壽命長、使用方便。

第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日習題4－1一、填空題：1、發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于（

）。2、氦氖激光器以（

）電源驅動。從結構上分（

）（

）（

）激光器。3、發(fā)光二極管將（）能轉變?yōu)椋ǎ┠?。第四十八頁，共七十頁?022年，8月28日二、簡答題：1、半導體發(fā)光二極管的發(fā)光原理2、應用發(fā)光二極管時注意哪些要點？3、激光的產(chǎn)生有哪些條件？4、簡述注入式半導體激光器的發(fā)光過程。5、使用半導體激光器時以什么方式（連續(xù)或脈沖）驅動為宜？第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日三、計算題如圖所示發(fā)光二極管應用電路，已知VCC=5V，發(fā)光二極管導通電壓UF=2V，工作電流IF=15mA，計算限流電阻R。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日第三節(jié)、光電耦合器件它是將發(fā)光器件和光敏器件密封裝在一起形成的電－光－電器件。由于輸入邊和輸出邊是用光來耦合的，在電性能上完全是隔離的。由于這種器件是一個利用光耦合做成的電信號傳輸器件，所以一般稱為光電耦合器件。一、定義第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日光電耦合器的結構有金屬密封型和塑料密封型兩種。⑴金屬密封型：采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構，在其中心裝片，采用環(huán)焊以保證發(fā)光管和光敏管對準，以此來提高靈敏度。⑵塑料密封型：采用雙立直插式塑料封裝的結構。管芯先裝于管腳上，中間用透明樹脂固定，具有集光作用，故這種結構的光電耦合器的靈敏度較高。二、結構第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日三、光耦的組合形式圖a組合形式，結構簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。圖b為采用高速開關管構成的高速光電耦合器，用于較高頻率的裝置中。第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日圖c的組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，用于直接驅動和較低頻率的裝置中。圖d為采用固體功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。無論哪一種組合形式，都要使發(fā)光元件與光敏元件在波長上得到最佳匹配，保證其靈敏度為最高。第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日四、光耦的特點⑴具有電隔離的作用。⑵信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。⑶具有抗干擾和噪聲的能力。⑷響應速度快。⑸使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，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℃～＋100℃之間。第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日五、特性參數(shù)㈠、傳輸特性在直流工作狀態(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，稱為光電耦合器件的直流電流傳輸比，用β表示。⒈電流傳輸比β：第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日工作點選擇在輸出特性的不同位置，β就不同。在傳送小信號時，用交流電流傳輸比來表示。對于輸出特性較好的光電耦合器件，有第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日β－IF曲線β的典型溫度特性曲線第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

⒉輸入——輸出間絕緣耐壓BVCFO輸入——輸出間絕緣耐壓與發(fā)光二極管和光敏三極管之間的距離有關，當二者距離增大時，絕緣耐壓提高（但電流傳輸比降低）。⒊輸入——輸出間的絕緣電阻RFC輸入——輸出間絕緣電阻一般在109～1013Ω之間，該電阻越大，隔離性能越好，但電流傳輸比降低。第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日⒋輸入——輸出間的寄生電容CFC當輸入——輸出間的寄生電容增大時，光電耦合器的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面系統(tǒng)的噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其寄生電容僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內(nèi)不會影響電路的正常工作。第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日⒌最高工作頻率fM隨著頻率的增高，雖然輸入信號的幅度不變，而輸出幅度卻下降了，當輸出電壓相對幅值降至0.707時，所對應的頻率稱為光電耦合器件的最高工作頻率fM(或截至頻率）。第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日最大工作頻率也會隨著外電路負載的變化而改變。第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日⒍脈沖上升時間tr和下降時間tf脈沖上升時間tr和下降時間tf隨著負載電阻的減小而減小。第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日㈡、抗干擾特性⑴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)阻一般都很大，為103～106Ω。按一般分壓比的原理來計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就變得很小了；⑵由于一般干擾源的內(nèi)阻都很大，雖然也能提供較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能形成微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發(fā)光二極管只有在通過一定電流時才能發(fā)光。因此，即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被它抑制掉了