第4章 发光与耦合器件

1、光源分类:（根据频谱宽度）非相干光源热辐射光源（如白炽灯）气体放电光源（如汞灯、脉冲氙灯）固体发光光源（如发光二极管）相干光源：激光（波长范围窄）1. 白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 2. 气体放电光源半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载

2、流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。发光二极管的工作原理：P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光输出发光二极管结构原理 出射光束是朗伯型，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。发光二极管的类型：侧面发光型侧面发光型ELED和和正面发光型正面发光型SLED光谱特性：0.60.4 发光的相对强度随波长变化的分布曲线，它直接决发光的相对强度随波长变化的分布曲线，它直接决定发光二极管的发光颜色，并影响其流明效率定发光二极管的

3、发光颜色，并影响其流明效率 间接跃迁型间接跃迁型GaPGaP的响应时间为的响应时间为100ns100ns载流子复合只放出光子载流子复合只放出光子载流子复合放出光子和声子载流子复合放出光子和声子响应时间： 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。熄灭时间的延迟。发光二极管的响应时间一般很短。直接跃迁型直接跃迁型GaAsGaAs的响应时间几个的响应时间几个nsns发光二极管的P-I特性曲线：原理：原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3

4、2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出光功率输出光功率/ mW02570UccRLUFIFRL为限流电阻FFccLIUURUF和IF为二极管参数例如：GaAs电流选用20mA，GaP电流选用10mA，即可获得足够亮度。1.0 1.5 2.0 2.5 120100806040200mAi /Vu /阈值特性与材料有关：GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs约为1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向击穿电压一般在-5V以上。+5VLEDReRb2Rb1Vin树脂反射框引线框架LED芯片七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管梅曼和第一只激光器梅曼

5、和第一只激光器激光器的种类：激光器的种类：气体气体 （如（如He-NeHe-Ne、COCO2 2）固体固体 （如红宝石（如红宝石AlAl2 2O O3 3）半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAsGaAs） 按工作物质分类按工作物质分类激光器的工作原理：自发辐射、受激吸收和受激辐射工作物质工作物质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光必要条件1. 1. 实现粒子数反转实现粒子数反转. .使原子被激发使原子被激发. .要实现光放大要实现光放大 激光的形成过程: 工作物质工作物质 激励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔光

6、学谐振腔光学谐振腔一、气体激光器He-NeHe-Ne气体激光器气体激光器He -NeHe -Ne 激光器中激光器中HeHe是辅助物质，是辅助物质，NeNe是激活物质是激活物质，HeHe与与NeNe之比为之比为51 51 101101。NeNe原子可以产生多条激光谱线原子可以产生多条激光谱线, ,最强的三条最强的三条: : 0 063286328 、1 115 15 m m、3 339 39 根据工作物质分类： 红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级； Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级； 钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级； 二、固体激光器红

7、宝石激光器灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。 1kW的脉冲Nd:YAG激光器半导体激光器半导体激光器三、半导体激光器（LD，Laser Diode）半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子粒子数反转分布数反转分布，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。LDLD的工作原理和基本结构的工作原理和基本结构四、激光器的基本特性1 1、单色性

8、、单色性 普通光的光谱成份较复杂，以日光为例，它包含着多种波长，即包含了各种颜色的光，如从红光到紫光一概全有(相应波长从760-380nm)。在这些红、黄、蓝等各色光中也并不是单一的波长，每一种颜色的光都对应着一个波长范围。波长范围用“谱线宽度”来描述。各种颜色的光波的波长范围越窄则其单色性越好。例如：红光的波长从630-760nm，黄光的波长是从560-590nm。上述红光、黄光等，其谱线宽度约为几十nm到几百nm。而HeNe激光的谱线宽度仅为10-9nm，可见激光具有很好的单色性，是理想的单色光源。 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激

9、光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于1010-3-3-10-10-5-5弧弧度。激光通过直径为度。激光通过直径为D D的孔径时，由于衍射会产生一定发的孔径时，由于衍射会产生一定发散：散：2 2、方向性好、方向性好 He-Ne气体激光：310-4rad； 固体激光：10-2rad 半导体激光：5-10。激光的方向性带来两个结果：激光的方向性带来两个结果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。 例如：一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。 激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特

10、点。3 3、高亮度、高亮度 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。 激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18 范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。4 4、相干性好、相干性好全息照相全息照相 相干计量、全息照相、全息存储等就利用了激光相干性好的特点。 自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只有几个mm或几十cm。 激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上有很好的相干性。两激

11、光束合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，He-Ne激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。 光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。 光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成； 当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。光耦合器件有透光型与反射型两种。 比起透光型来显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。 利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件

12、后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。透光型反射型 具有电隔离的功能，其输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出电路得电平零位可以任意选择； 信号的传输是单向性的，不论脉冲、直流都可使用，适用于模拟和数字信号传输； 具有抗干扰和噪声的能力，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，不受外界电磁、电源和杂光影响； 响应速度快，可达微秒数量级，甚至纳秒数量级； 使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽； 即具有耦合特性又具有隔离特性。1、电流传输比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定义为在直流状态下，光电

13、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。如图中在Q点处电流传输比为：%100FQCQQII 如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：%100FCII在饱和区和截止区都变小。与IF的关系： 由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以有如图示的变化。4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出功率输出功率/ mW发光二极管的P-I曲线0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF与的关系曲线2、最高工作频率mff /M Hz相对输出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作频率取决于发光器件

14、与光电接收器件的频率特性。同时与负载电阻的阻值有关，阻值越大，最高工作频率越低。有光照时，T1饱和导通，u00V光被遮时，T1截止， u0+5V由此对电路起控制(开关)作用。 当u1为低电平时，V1截止，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”； 当u1为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通” 该电路因u1为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态 左图为“与门”逻辑电路。 其逻辑表达式为P=AB.图中两只光敏管串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出P=1 同理，还可以组成“或门”、“

15、与非门”、“或非门”等逻辑电路 请同学们自行分析课本图3-53，图3-54光电耦合器件光电耦合器件光电耦合继电器光电耦合继电器光电隔离器（传感器）光电隔离器（传感器）CCD读出移位寄存器的数据读出移位寄存器的数据 面显微照片面显微照片 工作过程：电荷的产生、存储、传输检测。栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uGuthuGuthuG=0SUGP型硅杂质浓度Nd=1021m-3反型层电荷QINV=0 Uth= 1.0V 1.4V 2.2V 3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面势与栅极电压的关系SQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面势与反型层电荷密度

16、的关系 曲线的直线特性好，说明两者有着良好的反比例线性关系。可以“势阱”的概念来解释。u010V10VUG=5VUG=10VUG=15V空势阱填充1/3势阱全满势阱 电子被加有栅极电压的MOS结构吸引到势能最低的氧化层与半导体的交界面处。MOS电容存储信号电荷的容量为：Q=CoxUGA2V10V 2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V2V10V 10V 2V2V10V2V10V 2V2V2V10V 2Vcdef123材料的量子效率入射光的光子流速率0ATqQeonIP光敏电压的受光面积光注入时间U+U+势垒P-Si背面照射式光注入IDuINuIDN+IG1232P2ID为源极，IG为栅极,而

17、为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：22UUUCLWIIGINGs经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：cIGINGsTUUUCLWQ22IDIG213231N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与2同位相的选通脉冲，在选通脉冲作用下，电荷被注入到第一个转移栅极2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷才停止。往下一级转移前，由于选通脉冲的终止，IG的势垒把2N+的势阱分开。电荷注入量与时钟脉冲频率无关。2、电荷的检测信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，而在输出端需选择适当地输出电路以减小时钟脉冲容性的馈入输出电路的程度。（1）电流输出：如图a。由反向偏置二极管收集信号电荷来控制A点电位的变化，直流偏置的输出栅极OG用来使漏扩散时钟脉冲之间退耦，由于二极管反向偏置，形成一个深陷落信号电荷的势阱，转移到2电极下的电荷包越过输出栅极，流入到深势阱中。UDRDRgAOG12放大P-Si图aN+OG12浮置扩散T1（复位管）T2（放大管）RgUDD(2)浮置扩散放大器输出：如图b.图b复位管在2下的势阱未形成前，在RG端加复位脉冲，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到UDD，而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管栅极电位变化。（3）浮置栅