光电技术_06发光器件与光电耦合器件

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1、第六章 发光器件与光电耦合器件发光二极管实物图 6.1 发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 LED的发光机理 发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和 N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。 PN结的能带结构N型半导体 P型半导体 EcEvEcEvEFpEFn 1. PN结注入发光 发光区：P区 注入率不高、 可能会产生本征吸收2. 异质结注入发光 P区：注入源、透射区N区：发光区6.1.2 基本结构 1. 面发光二极管 2. 边发光二极管 6.1.3 LED的特性参数 1. 发光光谱和发光效率 （1）发光光谱LED发出光的相对强度(或

2、能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。峰值波长和发光强度的半宽度（2）发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。neo每秒发射出的光子数ni为每秒注入到器件的电子数r辐射复合的载流子寿命rn是无辐射复合的载流子寿命只有rnr，才能获得有效的光子发射 内部量子效率：外部量子效率ex：nin单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nex单位时间发射到外部的光子数 2. 时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率的措施有三条：发光二极管的时间响应快，短于1s，比人眼的时间响应要快得多

3、，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。 用比空气折射率高的透明物质涂敷在发光二极管上； 把晶体表面加工成半球形； 用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。 温度特性通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。 3. 发光亮度与电流的关系 发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为 亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和 4. 最大工作电流 最大电流密度应低于最大发射效率时的值。Rd：LED的内阻；If、Uf：它在较小电流时的电

4、流和压降。 5. 伏安特性 iioexp(U/mkT) m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时 m2。电流增大后，扩散电流占优势时，m1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。 6. 寿命 寿命-亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。 7. 光强分布不同型号的LED发出的光在半球空间内具有不同的光强分布规律。其机

5、械轴与光轴往往并不重叠而在空间上具有夹 角，LED的发光强度是光轴为基准关于角度 的函数 Iv=f ()不同的应用对分布函数的要求不同，希望远距离 传输光能量的应用要求半角宽度尽量小，以免能 量在传输过程中损失过大。而要求获得均匀面光源的情况下又要求其“半角” 尽量增大。发光强度衰减到一半时所对应的角度称为LED的半 发光强度角（或半角），用1/2表示。半角宽度，光轴与机械轴偏向角的测量在实际应 用中是非常重要的环节。因此，设计出多种测量 设备。天津市耀辉光电技术有限公司生产的 LEDA-型发光角度特性测试仪为其最佳产品。 它能够同时测量“偏向角”、“半角”和LED正、反向电流、电压等特性参数

6、。6.1.4 驱动电路 LED工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图6-10所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。 6.2 发光二极管的应用 6.2.1 数字、文字及图像显示 6.2.2 指示、照明 6.2.3 光电开关、报警、遥控、耦合 6.2.4 光源 6.3半导体激光器1.半导体激光器发光机里2.SLD的主要机构6.3.1半导体激光器的发光原理受激辐射粒子数反转谐振腔1.量子跃迁EcEvE禁带导带价带不

7、稳定过程：导带中的电子以一定的几 率自发地与价带中的空穴复合并 以光子的形式释放出复合所产生 的能量。a：自发辐射光子的特点：非相干应用：LEDb:受激辐射光子的特点：相干光应用：SLDc:受激吸收应用：光探测器，太阳能电池等过程：在适当能量的光子作用下 ，能带中电子获得能量跃迁到导 带中，形成电子空穴对。三种量子跃迁的区别与联系 受激吸收与受激辐射是互逆的过程 自发辐射与受激辐射区别是是否有外来光子参与o同一光电器件可以同时出现两种或三种跃迁d：非辐射跃迁 影响SLD的量子效率、稳定性等，是不利因素EcEv声子，热跃迁EE这样才能得到激光 ？ 产生激光的必要条件之一：受激辐射占主导 地位Ec

8、EvE禁带导带价带正常分布禁带导带价带反转分布 产生激光的必要条件之二：粒子数的反转分 布2.粒子数反转产生粒子数反转分布的方法： 注入载流子半导体激光器 强光对激光进行照射半导体、固体激 光器 气体电离半导体、气体激光器3.谐振腔工作物质1234 产生激光的必要条件之三：有个谐振腔EcEv光增益相干光子 有无谐振腔就是LED与SLD的重要区别，LED无 腔稳定工作的条件： 稳定工作的条件之一：适合的谐振腔L 稳定工作的条件之二：光增益g等于或大于总损耗阈值增益，阈值电流在腔内传播的平面波：L在两个腔面间来回反射后：结论：每个整数m都对应一个频率或一个震荡的纵 模模式纵模分布I增益曲线损耗曲线

9、增益曲线2个以上的纵模激励的LD称为多纵模LD仅有一个纵模激励的LD称为单纵模LDLD的发光过程： 注入电流，即注入载流子 在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳 定，少数电子自发跃迁到到价带，产生光 子 光子被导带中的电子吸收跃迁到价带，同时 释放出2个相干光子，即光子在适当的腔内振 荡放大 光子稳定振荡，光能量大于总损耗，LD开始工 作基本结构：驱动电源、工作物质、谐振腔二、SLD的主要结构 驱动电源注入式、光激励、电子束偏转 驱动电源同质（PN结型）结激光器、异质结激光器、分 布 反馈式半导体激光器 谐振腔法布里-珀罗腔、圆柱腔、矩形腔、三角形腔6.4 光电耦合器件 6.4.1 光电耦合器

10、件的结构与电路符 号 将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成具有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。光电耦合器件的发光件常用LED发光二极管、LD半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。因此，在实际应用中它具有许多特点，成为重要的器件。 用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。本节仅介绍几种 常见的结构。 1. 光电耦合器件的结构 光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a）为发光器件（LED）与光电接收器件（光电二极

11、管或光电三极管等）被封 装在黑色树脂外壳内构成光电耦合器件。图6-28（b）者将发光器件与光电器件封装在金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。 光电耦合器件的电路符号 如图6-29所示，图中的发光二极管泛指一切发光器件，图中 的光电二极管也泛指一切光电 接收器件。 图6-30所示为几种不同封 装的光电耦合器，图中（a） 、（b）、（c）分别为三种不同安装方式光电发射器件与光 电接收器件分别安装器件的两 臂上，分离尺寸一般在 412mm，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以及 物体的运动速度等参数。这中 封装的器件常被称为光电开关 。 图中（d）反光型光电

12、耦合器，LED和光电二极管封装在一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型光电耦合器。图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。图中（f）DIP封装形式的光电耦合器件。这种封装形式的器件有多种，可将几组光电耦合器封装在一片DIP中，用作多路信号隔离传输。 3. 光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能 信号单向传输方式 具有抗干扰和噪声的能力 响应速度快 即具有耦合特性又具有隔离特

13、性 实用性强 6.4.2 光电耦合器件的特性参 数 光电耦合器件的主要特性为隔离特性与传输特性。1.传输特性光电耦合器件的传输特性就是输入与输出间的特性，它用下列几个性能参数来描述。（1）电流传输比在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比定义为光电耦合器件的电流传输比，用表示。如图6-31所示为光电耦合器件的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为 IFQ，对应的集电极电流为ICQ，因此该点的电流传输比为Q=ICQ/ IFQ100% （6-19）如果工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化了IF，但相应的IC1，变化量却很小。这样

14、，值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区Q3点时，值也要变小。这说明工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的值。因此，在传送小信号时，用直流传输比是不恰当的，而应当用所 选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。用来表示。即=Ic/IF100% (6-20)对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，值很接近值。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流 电流传输比。光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍

15、数都是输出与输入电流之比值，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用IF表示，其中与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，通常称为光激发效率。 图6-32所示为光电耦合器件的电流传输比随发光电流IF的变化曲线。在IF较小时，耦合器件的光电接收器件处于截止区，因此值较小；当IF变大后，光电接收器件处于线性工作状态，值将随IF增加，而后，IF再增大，反而会变小，因为发光二极管发出的光不总与电流成正比。图6-33是随环境温度的变化曲线。 (2) 输入与输出间的寄生电容CFC这是输入与输出端之间的寄生电容。当CFC变大时，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件 ，其CFC仅仅为几个pF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中就要予以重视了。(3) 最高工作频率fm 频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最 高工作频率f