第四章发光与耦合器件

1、第四章 发光与耦合器件主要内容主要内容 发光二极管的结构与工作原理激光的产生半导体激光器氦氖激光器光电耦合器件重点内容重点内容发光二极管的结构与工作原理半导体激光器难点内容难点内容激光的产生一、发光二极管的结构与工作原理一、发光二极管的结构与工作原理2、ELED的工作原理的工作原理当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。3、SLED（正面发光型）的结构（正面发光型）的结构出射光束时朗伯型，平行于PN结结平面的方向光束发散角为1200，垂直于结平面的方向，光束发散角为300。3、制作材料（1）直接带（直接

2、跃迁）材料：GaAs、GaN、ZnSe等。（2）间接带（间接跃迁）材料：GaP（3）混晶：GaAs1-xPx4、特点体积小，耐冲击，寿命长，功耗低，响应快，可靠性高，颜色鲜明易与集成电路匹配等。二、特性参数（一）效率（1）用于非显示功率效率：输入的电功率转换成辐射的功率的效率。%100iepPP光学效率：外量子效率与内量子效率的比。qiqoo 量子效率：注入载流子复合而产生的光量子效率，可分为内量子效率外量子效率。 内量子效率：辐射复合所产生的光子数与激发时注入的电子空穴对数之比。 外量子效率：射出光子数与注入电子空穴对数之比。（2）用于显示 照明效率：辐射功率转换成光通量的效率。 流明效率：

3、消耗单位功率所得到的光通量。iLPFebPF（2）发光光谱相对强度波长GaAs0.6P0.4GaP发光二极管的峰值波长是由材料的禁带宽度决定的。当GaAs1-xPx的x值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线半宽度大约为2030nm，GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。（三）出光特性（四）伏安特性电压电流mkTeViiexp0复合因子（五）发光亮度与电流的关系GaP(红色)GaP(绿色)GaAs1-xPxGa1-xAlxAs光强电流强度RdneiB（六）寿命发光二极管的亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。一般可达十万个小时。随着工作时间的加长，亮度下降的

4、现象叫老化。它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。（七）响应时间标志器件对信息反应速度的物理量。即指器件启亮与熄灭时间的延迟。发光二极管的响应时间一般很短。三、应用1、数字、文字以及图像显示七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管2、指示、照明单个发光二极管可在仪器指示灯，示波器标尺，收音机刻度及钟表中的文字照明等。目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。3、光源多用于光纤通信与光纤传感器中。4、光电开关、报警、遥控耦合四、国外几种半导体发光二极管的主要参数类型出光面尺寸(um)发射波长(nm)光谱宽度(nm)截止频率(MHz)光纤芯径(um)数值孔径耦合方式进

5、纤功率(uw)“平底碗”型正面出光500.904025500.66直接耦合1700无波导型侧面出光()0.05*650.8230100900.14直接耦合800集成化透镜型正面出光401.27100501000.25球端光纤耦合310一、激光的产生（一）受激辐射1、自发辐射2、受激吸收3、受激辐射（二）粒子数反转在激光物质中，外来的光子可以引起受激辐射，也可能摆受激吸收，而产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称之为粒子数反转。方法：固体激光器：光谱适当地强光灯；气体激光器

6、：气体电离；半导体激光器：注入载流子。（三）共振腔（增益超过损耗，产生激光振荡）1、产生稳定振荡的条件：腔长恰好等于辐射光半波长的整数倍。nmL2反射面反射面Lm=1m=22、纵模频率（共振频率）共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波叫做共振腔的纵模。其频率称作纵模频率：nLmc2（四）产生激光的三个必要条件需要泵源将处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上；实现粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；要有一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐射的持续振荡。二、激光器的类型固体激光器：一般采用光激励，功率大，但效率低，多模输出，光的相干性较差，常用于工业加工，如打孔，焊接等；气体激光器：一般采

7、用电激发，效率高，寿命长，单模输出，光的相干性较高，常用于精密测量，全息照相等；液体激光器：可调谐，用在光谱学中；半导体激光器：小巧，耐用，简单，常用于光通信，光信息存储等。三、气体激光器1、一般结构KM2M1AT(套管)G（毛细管）两个反射镜紧贴在放电管的两端，称为内腔式。输出不稳定，受温度影响大，但无需调整。AD（放电管）B（布儒斯特窗）两个反射镜与放电管完全分开装架，称为外腔式。输出线偏振光，受温度影响小，但需经常调整，技术复杂，使用不便。KGTKABM1M2一个紧贴放电管的一端，另一个与放电管分开装架，称为半外腔式。集中了上两种方式的优点。2、氦氖激光器发出3种波长的谱线：0.6328

8、um(桔红色),1.15um,3.39um；工作物质为氦氖混合气；优点：单色性好，谱线宽度只有1017m，相干长度达几十公里；方向性强，光束发散角很小；结构简单，稳定性好，性价比高。四、固体激光器1、一般结构XL激光棒L放在螺旋状灯X的里面，棒的端面镀有反射膜。M1M2L激光棒放在椭圆柱面镜的一条焦线上，作光泵用的氙灯放在另一条焦线上，两反射镜与激光棒分离。2、红宝石激光器工作物质为掺有Cr2O3的人造宝石单晶；辐射波长为694.3nm的激光；特点：较高的泵浦能量阈值；峰值功率可达1050mw，脉宽为1020ns；三能级系统五、半导体激光器1、PN结型半导体激光器的一般结构法布里泊罗共振腔：将

9、工作物质制成PN结并切成长方块，为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料，使费米能级分别进入导带及价带内。由一对相互平行的解理面或抛物面构成，并与结平面垂直，这对平面构成了端部反射器。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的激光作用。这种结构叫法布里泊罗共振腔。2、PN结型半导体激光器的工作原理3、主要特性（1）激光阈值条件及影响阈值得因素光输出电流受激辐射自发辐射Ith刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率叫阈值。阈值电流：达到阈值增益时注入的电流密度。PN结型LD室温下阈值电流很高，且不能实现室温下连续振荡。阈值电流阈值电流296k195k77k4.2V1/L影响因素：共振腔长度温

10、度表面反射率单轴向压力外加磁场强度（2）频谱分布光强度波长100mA82mA10mA123低于阈值时，自发辐射，非相干光，谱线宽，如1；高于阈值时，发生共振，谱线变窄，对应峰值波长的频率为共振频率（驻波频率）如图2，3。相对强度波长电流超过阈值时碲化铅二极管的激光发射光谱光强度波长59K20K2K磷化铟激光二极管频谱分布与温度的关系4、异质结激光器（1）单异质结激光器在GaAs的PN结上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs-AlxGa1-xAs异质结。由于GaAsAlxGa1-xAs禁带宽度不同，因而在界面出形成了较高势垒，使从N-GaAs注入到P-GaAs中的电子在继续向P-AlxGa1-

11、xAs扩散时受到阻碍，同没有这种势垒存在时比较，P-GaAs层内的电子浓度增加，辐射复合的几率也提高了。再者，P型铝镓砷对来自P型GaAs的发光吸收系数小，损耗也较小。由于铝镓砷的折射率较砷化镓低，因而限制了光子进入铝镓砷区，使光受到反射面局限在P-GaAs区内，从而少了周围非受激区对光的吸收。由于电子光子在异质结面上都受到了限制，减小了损耗，因而降低了阈值。其结构图能带图如下：P-AlxGa1-xAsP-GaAsN-GaAs异质结PN结结构图电子空穴N-GaAsP-GaAsP-AlxGa1-xAs2ev1.5ev能带图单异质结激光器分布反转区低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为8000A

12、/cm2，但在温度变化下，阈值随温度变化小，在室温下实现脉冲振荡。（2）双异质结激光器在GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs，加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAsP-AlxGa1-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在地空穴注入现象，使工作区电子，空穴浓度加大，复合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降

13、低到10003000A/cm2，实现了室温下的连续振荡，且随温度变化也较小。其结构图能带图如下：P-AlxGa1-xAsN-AlxGa1-xAsGaAs异质结异质结NGaAsP空穴电子结构图能带图双异质结激光器5、分布反馈（DFB）半导体激光器（1）结构（动态单纵模激光器）（2）光栅结构（3）DFB与一般半导体激光器（多纵模振荡）的比较nm /26、量子阱（QW）激光器生长方向GaAsGaAlAs衬底有源层是由两种不同材料交替生长组成超薄层一维周期结构，称为量子阱激光器。当薄层的周期厚度等特征尺寸减小到电子平均自由程（50nm）时，整个材料的电子系统进入量子领域，并产生量子尺寸效应。（1）结构

14、（2）超晶格结构组分超晶格：将两种不同的半导体材料薄层做成重复相间的多层结构长在一块晶体上，量子阱激光器就属于该种；掺杂超晶格：由材料相同但掺杂类型不同的大量重复相间薄层长在同一块单晶上形成。（3）优点极低的阈值电流（0.55mA）且随温度变化极小，甚至预言量子点（量子线，量子箱，量子阱）激光器不随温度变化；高功率输出，可达10w；高调制频率，窄的线宽。国外半导体激光器的典型参数激光器的类型阈值电流发射波长发散角输出功率转换效率截止频率温度系数AlGaAs/GaAs1001500.85(1020)*(3050)521100150InGaAsP/InP201.330*40510265一、光电耦合

15、器件的含义特点把发光器件与光敏元件封装在仪器构成光电耦合器件。这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。所以，我们把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。特点：特点：具有电隔离功能；绝缘电阻高达10101012欧姆，击穿电压高达10025千伏，耦合电容小到零点几个皮法；信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟，数字信号都适用；具有抗干扰噪声的能力，可作为继电器变压器等使用；响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级；使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，

16、工作温度范围在55到100摄氏度之间。二、特性参数1、传输特性IFIFIFQ3Q2QQ1IF1IF2IF3IFVcIcIc1Ic2Ic3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，称为光电耦合器件的电流传输比，用表示，若有一工作点Q，则%100FQcQQII工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不同的值。故常用交流电流传输比来表示：%100FcIIIFT在电流较小时，耦合器件处于截止区， 值较小，当电流变大后， 值变小，器件处于线性工作状态，但其变化量较小。在零摄氏度以下， 值随温度的升高而上升；在零摄氏度以上，随温度的升高而下降。02、输入输出间绝缘耐压BV

17、CFO绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管光敏三极管之间的距离有直接关系，且是一对矛盾体。当二者距离增大，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘耐压降低，但电流传输比却提高。3、输入输出间绝缘电阻RFC一般在1091013欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离性能的好坏。4、输入输出间绝缘寄生电容CFC一般为几个皮法，影响器件的工作频率。5、最高工作频率fMVV(t)RFCRFoEFEcRcCRL测量器件最高工作频率的电路向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。随着频率的增高，虽然电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。fMf相对输出0.707相对输出0.707fM1fM2fM3fRC1RC2RC36、脉冲上升时间下降时间RFEc接示波器测量脉冲响应时间的电路图相对输入tttft相对输出1.00.90.10（二）抗干扰特性强的原因输入阻抗很低，而干扰源的内阻很大，从而能馈入器件输入端的干扰噪声就变得很小；虽然有较大的干扰电压，但干扰源的内阻很大，只能形成微弱电流，不足以使发光二极管发光，从而避免干扰；器件的输入输出边是用光耦合的