第6章 发光器件与光电耦合器件.ppt

第6章发光器件与光电耦合器件 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光 但对光电技术领域来说 光辐射还包括红外 紫外等不可见波段的辐射 发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射 前者被称为热辐射 后者称为激发辐射 激发辐射的光源常被称为冷光源 本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件及光电耦合器件 6 1发光二极管的基本工作原理与特性 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光 70年代末 人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器 进十年来 发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高 用发光二极管作光源有许多优点 6 1 1发光二极管的发光机理 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 1 PN结注入发光 1 PN结注入发光 PN结处于平衡时 存在一定的势垒区 其能带如图6 1所示 当加正偏压时 PN结区势垒降低 从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光 并主要发生在p区 2 异质结注入发光 为了提高载流子注入效率 可以采用异质结 图2 13 a 表示理想的异质结能带图 由于p区和n区的禁带宽度不相等 当加上正向电压时小区的势垒降低 两区的价带几乎相同 空穴就不断向n区扩散 对n区电子 势垒仍然较高 不能注入p区 这样 禁带宽的p区成为注入源 禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区 图2 13 b 例如 禁带宽EG2 1 32eV的p GaAs与禁带宽EG1 0 7eVp GaAs与禁带宽EG1 0 7eV的n GaSb组成异质结后 n GaAs的空穴注入n GaAs区复合发光 由于n区所发射的光子能量hv比EG2小得多 它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去 6 1 2基本结构 1 面发光二极管 图6 3所示为波长0 8 0 9 m的双异质结GaAs AIGaAs面发光型LED的结构 它的有源发光区是圆形平面 直径约为50 m 厚度小于2 5 m 一段光纤 尾纤 穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入 周围用粘合材料加固 用以接收有源发光区平面射出的光 光从尾纤输出 有源发光区光束的水平 垂直发散角均为120 2 边发光二极管 图6 4所示为波长1 3 m的双异质结InGaAsP InP边发光型LED的结构 它的核心部分是一个N型AIGaAs有源层 及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层 限制层 导光层的折射率比有源层低 比周围其他材料的折射率高 从而构成以有源层为芯层的光波导 有源层产生的光辐射从其端面射出 为了和光纤的纤芯尺寸相配合 有源层射出光的端面宽度通常为50 70 m 长度为100 150 m 边发光LED的方向性比面发光器件要好 其发散角水平方向为25 35 垂直方向为120 6 1 3LED的特性参数 1 发光光谱和发光效率 LED的发光光谱指LED发出光的相对强度 或能量 随波长 或频率 变化的分布曲线 它直接决定着发光二极管的发光颜色 并影响它的发光效率 发射光谱的形成由材料的种类 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 描述光谱分布的两个主要参量 是它的峰值波长和发光强度的半宽度 对于辐射跃迁所发射的光子 其波长 与跃迁前后的能量差 E之间的关系为 hc E 复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽Eg 因此 峰值波长由材料的禁带宽度决定 例如GsAs的峰值波长出现在1 1eV 比室温下的禁带宽度少0 3eV 图6 5给出了GaAs0 6Po 4和GaP的发射光谱 当GaAs1 xPx中的x值不同时 峰值波长在620 680nm之间变化 谱线半宽度大致为20 30nm GaP发红光的峰值波长在700nm附近 半宽度大约为100nm 峰值光子的能量还与温度有关 它随温度的增加而减少 在结温上升时 谱带波长以0 2 0 3nm 的比例向长波方向移动 发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率 单位lm W 也有人把光强度与注入电流之比称为发光效率 单位为cd A 坎 安 GaAs红外发光二极管的发光效率由输出辐射功率与输入电功率的百分比表示 发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定 内部量子效率在平衡时 电子 空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率 包括辐射复合和无辐射复合 而复合率又分别决定于载流子寿命 r和 rn 其中辐射复合率与1 r成正比 无辐射复合率为1 rn 内部量子效率为 6 1 式中 neo为每秒发射出的光子数 ni为每秒注入到器件的电子数 r是辐射复合的载流子寿命 rn是无辐射复合的载流子寿命 由式中可以看出 只有 rn r 才能获得有效的光子发射 必须指出 辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射 光子通过半导体有一部分被吸收 有一部分到达界面后因高折射率 折射系统的折射系数约为3 4 产生全反射而返回晶体内部后被吸收 只有一部分发射出去 因此 将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子 空穴对数nin定义为外部量子效率 ex 即 6 2 对GaAs这类直接带隙半导体 in可接近100 但 ex很小 如CaP Zn O 红光发射效率 ev很小 最高为15 发绿光的GaP N 的 ev约为0 7 对发红光的GaAs0 6P0 4 其 ex约为0 4 对发红外光的In0 32Ga0 68P Te Zn 的 ev约为0 1 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 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂 n2 1 55 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 发光二极管的时间响应快 短于1 s 比人眼的时间响应要快得多 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 通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降 图6 6表示GaP 绿色 GaP 红色 GaAsP三种发光二极管的相对光亮度Le r与温度t的关系曲线 3 发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度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 6 3 式中 是载流子辐射复合寿命 R和非辐射复合寿命 NR的函数 如图6 7所示为GaAsl xPx Gal xAlxAs和GaP 绿色 发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线 这些LED的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 在低工作电流下 发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加 但电流增加到一定值时 发光效率不再增加 相反 发光效率随工作电流的继续增加而降低 图6 8表示发红光的GaP发光二极管内量子效率 in的相对值与电流密度J及温度T间的关系 随着发光管电流密度的增加 pn结的温度升高 将导致热扩散 使发光效率降低 因此 最大工作电流密度应低于最大发射效率的电流密度值 若发光二极管的最大容许功耗为Pmax 则发光管最大容许的工作电流为 6 4 式中 rd为发光二极管的动态内阻 If Uf均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正向压降 5 伏安特性 发光二极管的伏安特性如图6 9所示 它与普通二极管的伏安特性大致相同 电压小于开启点的电压值时无电流 电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性 这时正向电流与电压的关系为 i ioexp eV mkT 6 5 式中 m为复合因子 在较宽禁带的半导体中 当电流i 0 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m 2 电流增大后 扩散电流占优势时 m 1 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 发光二极管的寿命定义为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 响应时间 在快速显示时 标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间 即指器件启亮 上升 与熄灭 衰减 时间的延迟 实验证明 二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减 它的响应时间一般是很短的 如GaAs1 xPx仅为几个ns GaP约为100ns 在用脉冲电流驱动二极管时 脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内 6 1 4驱动电路 发光二极管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 思考题与习题6 6 1为什么说发光二极管的发光区在PN结的P区 这与电子 孔穴的迁移率有关吗 6 2为什么发光二极管必须在正向电压作用下才能发光 反向偏置的发光二极管能发光吗 6 4光电耦合器件 6 4 1光电耦合器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 发光二极管 与光电接收器件 光电二极管或光电三极管等 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4 12mm 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 它的输入 输出信号间完全没有电路的联系 所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择 绝缘电阻高达1010 l012 击穿电压高达100 25kV 耦合电容小于1PF 信号传输方式 信号传输是单向性的 不论脉冲 直流都可以使用 适用于模拟信号和数字信号 具有抗干扰和噪声的能力 它作为继电器和变压器使用时 可以使线路板上看不到磁性元件 它不受外界电磁干扰 电源干扰和杂光影响 响应速度快 即具有耦合特性又具有隔离特性它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来 圆满地完成电平匹配 电平转移等功能 一般可达微秒数量级 甚至纳秒数量级 它可传输的信号频率在直流至10MHz之间 实用性强 具有一般固体器件的可靠性 体积小 一般 6 6mm 重量轻 抗震 密封防水 性能稳定 耗电省 成本低 工作温度范围在 55 l00 之间 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 IFQ 100 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 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 IF 100 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fm接近于10MHz 其他组合的频率响应相应降低 图6 35示出了一个光电耦合器件的频率曲线 图中RC为光电耦合器的负载电阻 显然 最高工作频率fm与负载电阻值有关 减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率fM增高 4 脉冲上升时间tr和下降时间tf 光电耦合器在脉冲电压信号的作用下的时间响应特性用输出端的上升时间tr和下降时间tf描述 如图6 36所示为典型光电耦合器件的脉冲响应特性曲线 2 隔离特性 1 输入与输出间隔离电压BVCFO光电耦合器的输入 发光器件 与输出 光电接收器件 的隔离特性可用它们之间的隔离电压BVCFO来描素 一般低压使用时隔离特性都能满足要求 在高压使用时 隔离电压成为重要的参数 已经可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件 2 输入与输出间的绝缘电阻RFC光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻 光电耦合器的隔离电阻一般在1091013 之间 它与耐压密切相关 它与 的关系和耐压与 的关系一样 3 光电耦合器件的抗干扰特性 1 光电耦合器件抗干扰强的原因 光电耦合器件的输入阻抗很低 一般为10 1k 而干扰源的内阻很大 为103 106 按分压比计算 能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小 由于干扰噪声源的内阻很大 干扰电压供出的能量却很小 只能形成很弱的电流 而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光 因此 被它抑制掉 光电耦合器件的输入 输出是用光耦合的 且被密封在管壳内 不会受到外界光的干扰 光电耦合器件的输入 输出间寄生电容很小 为0 5 2pF 绝缘电阻大 为1011 1013 因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统 2 光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算 在向光电耦合器输送信息 例如矩形脉冲信号 的同时 不可避免地进入干扰信号 这些干扰信号由系统自身产生的干扰 电源脉动干扰 外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干扰等 干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲 其中以继电器等电磁电器的开关干扰最为严重 这些干扰信号的波形如图6 37 a 所示 设每个干扰脉冲宽度为1 s 重复频率为500kHz 经过傅立叶变换 得到含有各种频率的序列余弦函数 U t A 2 2A cos2 Ft 2A 3 cos2 3Ft 2A 5 cos2 5Ft 6 21 由上式可以看出 其的直流分量为 交流分量的幅度随频率的升高逐级减弱 可以用一次分量来近似地表示整个的交流分量而不会带来太大的误差 Uf t 2A cos2 Ft 6 22 如图6 38所示 继电器开关干扰常由绕组与接触点间的寄生电容Cs窜入光电耦合器件的输入端 图6 38 b 所示为它的交流等效电路 设继电器绕组与接触点间的寄生电容Cs为2pF 则等效内阻Zo为 6 23 设使光电耦合的最小输入电流为1mA 发光二极管的正向压降为1V 故 等效输入阻抗Z lk 显然 Z Z 在该回路内 当瞬时电流达到1mA时 干扰源的基波幅值为 6 24 根据式 6 22 可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为 Umin 250V 在实际应用中 继电器工作在30V以下 继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于250V 因此 不会干扰耦合器 6 5光电耦合器件的应用 6 5 1用于电平转换 工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同 如TTL的电源为5V HTL为12V PMOS为 22V CMOS则为5 20V 如果在系统中必须采用二种集成电路芯片 就必需对电平进行转换 以便逻辑控制的实现 图6 39所示为利用光电耦合器件实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路 光电耦合器件不但使前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路完全隔离 6 5 2用于逻辑门电路 利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路 图6 40所示为两个光电耦合器组成的与门电路 如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平 1 则两个发光二极管GD1和GD2都发光 两个光敏三极管TD1和TD2都导通 输出端就呈现高电平 1 若输入端Ui1或Ui2中 有一个为低电平 0 则输出光电三极管中必有一个不导