第6章 发光器件与光电耦合器件

1、 1 1、发光二极管（、发光二极管（LEDLED）的结构、工作原理与特性）的结构、工作原理与特性 2 2、半导体激光器（、半导体激光器（LDLD）的结构、发光原理与特性）的结构、发光原理与特性 3 3、光电耦合器件的特性及应用、光电耦合器件的特性及应用重点：重点：LED与与LD发光机理的主要区别；利用光电耦合器件构成各种发光机理的主要区别；利用光电耦合器件构成各种逻辑电路及特点。逻辑电路及特点。光源光源热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯汞灯荧光灯荧光灯钠灯钠灯氙灯氙灯金属卤化物灯金属卤化物

2、灯空心阴极灯空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器温度辐射温度辐射发光发光光致发光光致发光阴极射线发光阴极射线发光放射线发光放射线发光电致发光（电致发光（注入式注入式电发光电发光 ）激发辐射激发辐射冷光源冷光源LED (Light emitting diode)l6.1 发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 6.1.1 发光二极管的发光机理发光二极管的发光机理 发光二极管（即发光二极管（即LEDLED）是一种）是一种注入电致发光注入电致发光器件，器件，它由它由P

3、P型和型和N N型半导体组合而成。其发光机理常分为型半导体组合而成。其发光机理常分为PNPN结结( (同质结同质结) )注入发光注入发光( (发光在发光在p p区区) )与异质结注入发光与异质结注入发光( (发光在发光在n n区区) )两种。两种。 l1. PN1. PN结（结（同质结同质结）注入发光）注入发光 PN PN结处于平衡时，结处于平衡时，存在一定的势垒区，其存在一定的势垒区，其能带如图能带如图6-1 6-1 所示。当所示。当加正偏压时，加正偏压时，PNPN结区结区势势垒降低垒降低，从扩散区注入，从扩散区注入的大量非平衡载流子不的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要断地复合发光，并

4、主要发生在发生在p p区区。 hu = EgEg(b)V(a)pn+EgeUDEFpn+Electron in CBHole in VBEcEvEcEvEFeUDElectron energy问题问题：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发光二极管能发光吗？光二极管能发光吗？e(UD-U)2. 2. 异质结注入发光异质结注入发光 禁带宽的禁带宽的p p区成为注入源，区成为注入源，禁带窄的禁带窄的n n区区成为载流子复合发成为载流子复合发光的光的发光区发

5、光区. . 由于由于n n区所发射的光子能量区所发射的光子能量hvhv比比p p区的禁带宽度小得区的禁带宽度小得多，它进入多，它进入p p区不会引起本征吸收而直接透射出去。区不会引起本征吸收而直接透射出去。l1. 1. 面发光二极管面发光二极管 光从尾纤输出，光从尾纤输出，有源发光区是圆形平面，光束的水平、垂直发散角有源发光区是圆形平面，光束的水平、垂直发散角均为均为120120。l2. 2. 边发光二极管边发光二极管 光辐射从光辐射从端面端面射出。边发光射出。边发光LEDLED的方向性比面发光器件要的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为好，其发散角水平方向为25253535，垂直方向为

6、，垂直方向为120120。 l1.1.发光光谱和发光效率发光光谱和发光效率 描述光谱分布的两个主要参量：描述光谱分布的两个主要参量：峰值波长和发光强度的半宽度峰值波长和发光强度的半宽度( (表示发光管的光谱纯度表示发光管的光谱纯度 ) )。峰值波长由材料的禁带宽度决定。峰值波长由材料的禁带宽度决定。=hc/=hc/E=hc/EE=hc/Eg g 与峰值波长对应的光子能量与峰值波长对应的光子能量EEg g 发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光效率，发光效率，单位单位lm/Wlm/W；或光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为或光强度与注入电流之比称

7、为发光效率，单位为cdcdA A（坎（坎/ /安）。安）。GaAsGaAs红外发光二极管的发光效率由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输出辐射功率与输入电功率的百的百分比表示。分比表示。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率为内部量子效率为 nrrieoin11nnn neoeo为每秒发射出的光子数为每秒发射出的光子数, ,n ni i为每秒注入到器件的电子数为每秒注入到器件的电子数, ,r r是辐射复合的载流子寿命是辐射复合的载流子寿命, ,rnrn是无辐射复合的载流子寿命。只是无辐射复合的载流子寿命。只有有nrnrr

8、r，才能获得有效的光子发射。，才能获得有效的光子发射。 外部量子效率外部量子效率exex: :单位时间发射到外部的光子数单位时间发射到外部的光子数n nexex除以除以单位时间内注入到器件的电子单位时间内注入到器件的电子- -空穴对数空穴对数n ni i，即，即exexinn(6-2) 对对 GaAsGaAs这类直接带隙半导体，这类直接带隙半导体，inin可接近可接近100100。但。但exex很小很小l2. 2. 时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率提高外部量子效率的措施：的措施： 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n n2

9、 2 =1.55 =1.55）涂）涂敷在发光二极管上；敷在发光二极管上； 把晶体表面加工成半球形；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。用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。 响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极管熄灭的时间管熄灭的时间。发光二极管的时间响应快，。发光二极管的时间响应快，短于短于1s1s。发光二极。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。跃迁的几率。 温度特性：温度特性：

10、通常通常发光二极管的外部发发光二极管的外部发光效率均光效率均随温度上升随温度上升而下降而下降。l3. 3. 发光亮度与注入电流的关系发光亮度与注入电流的关系 发光亮度发光亮度L L与电子扩散电流与电子扩散电流i idndn之之间的关系为间的关系为 ReiLdn是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命R R和非和非辐射复合寿命辐射复合寿命nrnr的函数的函数 l4. 4. 最大工作电流最大工作电流 工作电流工作电流 : : 几几mA mA 几十几十 mAmA最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LEDLED的最大功耗为的最大功耗为P Pmaxmax，则其

11、最大的电流为则其最大的电流为 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max r rd d为为LEDLED的内阻；的内阻；I If f、U Uf f均为它在较小电流时的电流和压降。均为它在较小电流时的电流和压降。 l5. 5. 伏安特性伏安特性 iioexp(qU/mkT)m m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i i0.1mA I Ic c , ,即即电流传输比一般小于电流传输比一般小于1 1。光电耦合器件的电流传输比光电耦合器件的电流传输比随发光电流随发光电流I IF F的变化而变化。的变化而变化。(2) (2) 输入与输出间的

12、寄生电容输入与输出间的寄生电容C CFCFC对于一般的光电耦合器件，其对于一般的光电耦合器件，其C CFCFC仅仅为几个仅仅为几个pFpF，一般在中频范围，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作。内都不会影响电路的正常工作。(3) (3) 最高工作频率最高工作频率f fm m 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，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，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，最高工作频率最高工作频率f fm m接近于接近于10MHz10MHz，其他组合的频率响应相应降低。，

13、其他组合的频率响应相应降低。 （4 4）脉冲上升时间）脉冲上升时间t tr r和下降时间和下降时间t tf f l2.2.隔离特性隔离特性 (1) (1) 输入与输出间隔离电压输入与输出间隔离电压BVBVCFOCFO 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，隔离电压电压( (与发光器件和接收器件的距离有关与发光器件和接收器件的距离有关) )成为重要的参数。已经可成为重要的参数。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。器件。 (2) (2)输入与

14、输出间的绝缘电阻输入与输出间的绝缘电阻R RFCFC 光电耦合器的隔离电阻一般在光电耦合器的隔离电阻一般在10109 - 9 - 10101313之间。它与耐压密切之间。它与耐压密切相关相关. .l3.3.光电耦合器件的抗干扰特性光电耦合器件的抗干扰特性 (1)(1)光电耦合器件抗干扰强的原因光电耦合器件抗干扰强的原因 光电耦合器件的光电耦合器件的输入阻抗很低输入阻抗很低，一般为，一般为10-1k10-1k；而干；而干扰源的内阻很大，为扰源的内阻很大，为10103-3-10106 6。馈送到光电耦合器件输入端的干。馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。扰噪声变得很小。 由于由于干扰噪声源

15、的内阻很大干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，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。能发光。因此，被它抑制掉。 光电耦合器件的输入、输出是光电耦合器件的输入、输出是用光耦合用光耦合的，且被密封在管的，且被密封在管壳内，不会受到外界光的干扰。壳内，不会受到外界光的干扰。 光电耦合器件的输入、输出间光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小寄生电容很小( (为为0.5 - 2pF)0.5 - 2pF)，绝缘电阻大绝缘电阻大( (为为101011-11-1010131

16、3)，因而输出系统的各种干扰噪音很难通，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。过光电耦合器件反馈到输入系统。 (2)(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算 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，且以继电器等电磁电器的开关干各种白噪声和各种频率的尖脉冲，且以继电器等电磁电器的开关干扰最为严重。扰最为严重。干扰光电耦合器工作的

17、最小电压脉冲的幅值为干扰光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为 Umin=250V（干扰脉冲频率500kHz、脉宽1微妙） 在实际应用中，继电器的工作电压一般小于在实际应用中，继电器的工作电压一般小于30V30V，继电器开关引，继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于起的干扰脉冲绝不可能高于250V 250V ，因此，不会干扰耦合器。即，因此，不会干扰耦合器。即光电耦合器可以抑制所有干扰源的干扰信号。光电耦合器可以抑制所有干扰源的干扰信号。 6.5.1 6.5.1 用于电平转换用于电平转换 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

18、输入与输出电路完全隔离。而且使输入与输出电路完全隔离。 l6.5.2 6.5.2 用于逻辑门电路用于逻辑门电路 光电耦合器件还可以构成光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或与非、或、或非、异或等逻辑电路等逻辑电路 l6.5.3 6.5.3 用于开关电路用于开关电路 当无脉冲信号输入时，三极管当无脉冲信号输入时，三极管BGBG处于截止状态，发光二极管无处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则电流流过不发光，则a a、b b两端电阻非常大，相当于开关两端电阻非常大，相当于开关“断断开开”。当输入端加有脉冲信号时，。当输入端加有脉冲信号时，BGBG导通，发光二极管发光，导通，发光二极管发光，则则a a、b b两端电阻变得很小，相当于开关两端电阻变得很小，相当于开关“接通接通”。图（图（b b）所示电路则为）所示电路则为“常闭常闭”状态，因为无信号输入时，虽状态，因为无信号输入时，虽BGBG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a a、b b两端处于导两端处于导通状态，相当于