常用光源以及光电耦合器件应用讲解

发光器件与光电

耦合器件讲解一切能产生光辐射的辐射源都称为光源。光源一、光电仪器中的常用光源

按照发光机理，光源可以分为如下几类：热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯氙灯、金属卤化物灯氘灯、空心阴极灯场致发光灯发光二极管气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。由于物体在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷光源。冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。（1）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数

在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需要的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。（1）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数

某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的发光效率。单位为lm/W（1）辐射效率和发光效率一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数光源种类发光效率光源种类发光效率普通钨丝灯8~18高压汞灯30~40卤钨灯14~30高压钠灯90~100普通荧光灯35~60球形氙灯30~40三基色荧光灯55~90金属卤化物灯60~80（2）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数

光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，得到相应归一化的光谱功率分布，称为相对光谱功率分布。

光源的光谱功率分布通常可分为四种情况：线状光谱、带状光谱、连续光谱、混合光谱。（2）光谱功率分布一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱（3）空间光强分布一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数

对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。

在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。（3）空间光强分布一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数（4）光源的色温一、光电仪器中的常用光源

1、光源的基本特性参数

黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于非黑体辐射，它的某些特性常用黑体辐射的特性来近似地表示。对于一般光源，常用用分布温度、色温和相关色温表示。①分布温度：辐射源在某一波段范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称该辐射源的分布温度。（4）光光源源的的色色温温一、、光光电电仪仪器器中中的的常常用用光光源源1、光光源源的的基基本本特特性性参参数数②色温温：：辐辐射射源源发发射射光光的的颜颜色色与与黑黑体体在在某某一一温温度度下下辐辐射射光光的的颜颜色色相相同同，，则则黑黑体体的的这这一一温温度度称称为为该该辐辐射射源源的的色色温温。。③相关关色色温温：：在在均均匀匀色色度度图图中中，，如如果果光光源源的的色色坐坐标标点点与与某某一一温温度度下下的的黑黑体体辐辐射射的的色色坐坐标标点点最最接接近近，，则则该该黑黑体体的的温温度度称称为为该该光光源源的的相相关关色色温温。。（4）光光源源的的色色温温一、、光光电电仪仪器器中中的的常常用用光光源源1、光光源源的的基基本本特特性性参参数数光源色温北方晴空8000-8500k阴天6500-7500k下午日光4000k钨丝灯2700k高压钠灯1950-2250k蜡烛光2000k高压汞灯3450-3750k（4）光光源源的的色色温温一、、光光电电仪仪器器中中的的常常用用光光源源1、光光源源的的基基本本特特性性参参数数色温光色气氛效果>5000K清凉(带蓝的白色)冷的气氛3300-5000K中间(白)爽快的气氛<3300K温暖(带红的白色)稳重的气氛（5）光光源源的的颜颜色色一、光电仪仪器中的常常用光源1、光源的基基本特性参参数光源的颜色色包含了两两方面的含含义：色表表和显色性性。用眼睛直接接观察光源源时所看到到的颜色称称为光源的的色表。当用这种光光源照射物物体时，物物体呈现的的颜色（也也就是物体体反射光在在人眼内产产生的颜色色感觉）与与该物体在在完全辐射射体照射下下所呈现的的颜色的一一致性，称称为该光源源的显色性性。显色性较好好的光源，，适用于辩辩色要求较较高的场合合。（5）光源的颜颜色一、光电仪仪器中的常常用光源1、光源的基基本特性参参数显色指数：：用来准确确描述光源源显色性的的一种参数数，用Ra表示。太阳阳光的显色色性Ra=100(即任何物体体在太阳光光的照射下下，该物体体具有最真真实的颜色色或质感)。显色性好（Ra>70）

显色性差(Ra<65)

一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源任何物体只只要其温度度大于绝对对零度，就就会向外界界辐射能量量，其辐射射特性与温温度有关。。物体靠加热热保持一定定温度，使使其内能不不变而持续续辐射的形形式称为热热辐射。热热辐射源遵遵循有关黑黑体辐射定定律。（1）太阳一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源（2）黑体模拟拟器一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源角度特性和和光谱特性性与理想黑黑体特性相相似的辐射射源，称为为黑体模拟拟器。目前的黑体体模拟器最最高工作温温度为3000K，而实际应应用的大多多是2000K以下。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源将灯丝通电电加热到白白炽状态，，利用热辐辐射发出可可见光的电电光源。结构：普通白炽灯灯泡的主要要部件是玻玻壳和灯丝丝。玻壳一般用透明明玻璃制成成。为避免免灯丝眩光光，对玻壳壳可进行内内涂覆或磨磨砂处理，，以形成光光的漫反射射。为加强强某一方向向的发光强强度，还在在玻壳上蒸蒸涂铝反射射层。一些些特殊用途途的灯泡采采用彩色玻玻璃。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源灯丝又称白炽体体。是灯泡泡的发光体体,常用钨制成成单螺旋丝丝或双螺旋旋丝。灯丝有如下下基本要求求：①熔点温度度高。②蒸蒸发速率小小。③辐射射选择性好好。④机械械加工性能能好。⑤在在高温下能能充分定型型。⑥有较较大的电阻阻率。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源白炽灯有真真空钨丝白白炽灯、充充气钨丝白白炽灯和卤卤钨灯等，，光辐射由由钨丝通电电加热发出出的。①真空钨丝白白炽灯的工工作温度为为2300~2800K，光效为10lm/W。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源白炽灯有真真空钨丝白白炽灯、充充气钨丝白白炽灯和卤卤钨灯等，，光辐射由由钨丝通电电加热发出出的。①真空钨丝白白炽灯的工工作温度为为2300~2800K，光效为10lm/W。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源②充气钨丝白白炽灯由于于在灯泡中中充入和钨钨不发生化化学反应的的氩、氮等等惰性气体体，使由灯灯丝蒸发出出来的钨原原子在和惰惰性气体原原子碰撞时时，部分钨钨原子能返返回灯丝。。这样可以以有效地抑抑制钨的蒸蒸发，从而而使白炽灯灯的工作温温度提高到到2700~3000K，相应的光光效提高到到17lm/W。（3）白炽灯一、光电仪仪器中的常常用光源2、热辐射源源③如果在灯泡泡内充入卤卤钨循环剂剂（如氯化化碘、溴化化硼等），，在一定温温度下可以以形成卤钨钨循环，就就构成了卤卤钨灯。卤卤钨灯的工工作温度为为3200K，光效为30lm/W。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源利用气体放放电原理制制成的光源源称为气体体放电光源源。制作时在灯灯中充入发发光用的气气体，在电电场作用下下激励出电电子和离子子，气体变变成导电体体。当离子子向阴极，，电子向阳阳极运动时时，从电场场中获得能能量，使内内层电子跃跃迁到高能能级，引起起原子的激激发，受激激原子回到到低能级时时就会发射射出可见辐辐射或紫外外辐射。这这样的发光光机制被称称为气体放放电原理。。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源气体放电光光源的分类类：（1）按气体放放电类型分分：辉光放放电灯、弧弧光放电灯灯、高频放放电灯等（2）按放电时时灯内气体体压强分：：低压放电电灯、高压压放电灯和和超高压放放电灯（3）按放电发发光物质的的种类分：：汞灯、钠钠灯、各种种金属卤化化物灯和稀稀有气体灯灯（4）按灯的电电极形式分分：冷阴极极气体放电电灯、热阴阴极气体放放电灯和无无极气体放放电灯一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源气体放电光光源的特点点：（1）发光效率率高（2）结构紧凑凑（3）寿命长（4）光色适应应性强一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（1）汞灯利用汞放电电时产生汞汞蒸气获得得可见光的的电光源。汞灯又分低低压汞灯、、高压汞灯灯和超高压压汞灯。①低压汞灯：：低压汞灯灯点燃时汞汞蒸气压小小于一个大大气压，此此时汞原子子主要辐射射波长为253.7nm和185nm的紫外线。。低压汞灯有有两类：冷冷阴极辉光光放电灯和和热阴极弧弧光放电灯灯。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（1）汞灯②高压汞灯：：当汞灯内内的蒸汽压压达到1~5大气压时，，汞灯电弧弧的辐射光光谱就会产产生明显变变化，光谱谱线加宽，，出现弱的的连续光谱谱，紫外辐辐射明显减减弱，而可可见辐射增增加。高压汞灯的的发光效率率达64lm/W。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（1）汞灯③球形超高压压汞灯：灯灯内汞蒸气气气压达到到10~20个大气压，，这样灯的的辐射光谱谱与高压汞汞灯相比有有明显不同同：紫外辐辐射减少，，可见光辐辐射光谱线线较宽，连连续部分增增加，并且且红外光谱谱辐射增强强。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（2）氙灯利用氙气放放电而发光光的电光源源。高压氙氙灯的辐射射光谱是连连续的，与与日光的光光谱能量分分布相接近近，色温为为6000K左右，显色色指数90以上，因此此有“小太阳”之称。氙灯可分为为长弧氙灯灯、短弧氙氙灯和脉冲冲氙灯三种种。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（2）氙灯①长弧氙灯：：当氙灯的的电极间距距为15~130cm时称为长弧弧氙灯。它它的工作气气压一般为为一个大气气压，发光光效率为25~30lm/W。长弧氙灯的的辐射光谱谱与日光接接近，适于于大面积照照明，也可可用作电影影摄影、彩彩色照相制制版、复印印等方面的的光源；同同时，在棉棉织物的颜颜色检验、、药物和塑塑料老化试试验、植物物栽培、光光化反应等等方面，也也可作模拟拟日光和人人工老化光光源。此外外，大功率率长弧氙灯灯还可作为为连续激光光光源。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（2）氙灯②短弧氙灯：：当氙灯的的电极间距距缩短到毫毫米数量级级时称为短短弧氙灯。。它的工作作气压一般般为10~20个大气压。。短弧氙灯灯的电弧亮亮度很高，，其阴极点点的最大亮亮度可达几几十万坎德德拉每平方方厘米，电电弧亮度在在阴极和阳阳极距离上上分布是很很不均匀的的。短弧氙灯常常用于电影影放映、荧荧光分光光光度计以及及模拟日光光等场合。。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（2）氙灯③脉冲氙灯：：脉冲氙灯灯的发光是是不连续的的，能在很很短的时间间内发出很很强的光。。管内气压压均在一个个大气压一一下。它用用高压电脉脉冲激发产产生光脉冲冲。脉冲氙氙灯广泛用用作固体机机关器的光光泵、照相相制版、高高速摄影和和光信号源源等方面。。短弧氙灯常常用于电影影放映、荧荧光分光光光度计以及及模拟日光光等场合。。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（3）荧光灯利用荧光粉粉把低气压压汞蒸气放放电过程中中产生的紫紫外线转变变成可见光光的电光源源。一般制制成管形。。荧光灯的的发光效率率高,发光面积大大,光线柔和,使用寿命长长,可以使光色色近似日光光色或其他他各种光色色，是一种种良好的室室内照明光光源。结构荧光光灯由玻管管、电极、、汞和惰性性气体、灯灯头等部件件组成。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（3）荧光灯1971年,荷兰的库达达姆发明三三基色荧光光灯。三基基色荧光灯灯的显色性性优良，发发光效率也也很高。采采用稀土金金属三基色色荧光粉制制成的荧光光灯，一般般显色指数数Ra可超过90，发光效率率可超过901m/W，并能在相相同照度下下产生更明明亮的感觉觉和更舒适适的视觉效效果。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（3）荧光灯发光原理荧荧光光灯工作时时，在放电电过程中被被电场加速速的电子与与汞原子碰碰撞，汞原原子吸收电电子的动能能而被激发发。激发原原子在短时时间(10-8～10-9秒)内又回到原原来的低能能量状态。。这时原子子由于碰撞撞而吸收的的能量以电电磁波辐射射能的形式式释放出来来。在低气气压汞蒸气气放电条件件下，大部部分辐射能能量集中在在波长为253.7nm和185.0nm的两条谱线线上，其中中前一条谱谱线占总辐辐射能量的的90％以上，起起主要作用用。波长为为253.7nm的辐射是人人眼看不见见的紫外线线，它照射射到玻管内内壁的荧光光粉涂层上上后即转变变成可见光光。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（4）金属卤化化物灯在普通照明明用高压汞汞灯的电弧弧管内，加加入某种金金属卤化物物或几种金金属卤化物物的混合物物而制成的的一种气体体放电灯。。具有发光光效率高、、色温高、、显色性好好等特点。。金属卤化物物灯具有光光效高(60～100流明/瓦)、光色好、、结构紧凑凑等特点，，又可做成成不同色温温（2400～7500K）的光源,甚至通过添添加某种特特殊的金属属卤化物可可制成主要要辐射紫外外、红外或或某种特定定光谱的光光源。一、光电仪仪器中的常常用光源3、气体放电电光源（4）金属卤化化物灯工作原理金金属卤化化物灯点燃燃后，放电电产生的热热量加热了了泡壳，附附着在管壁壁内的金属属卤化物从从管壁处蒸蒸发，然后后向电弧中中心扩散。。当金属卤卤化物分子子扩散进入入高温电弧弧中心后，，卤化物分分子在电弧弧的高温下下分解成金金属原子和和卤素原子子。金属原原子在电弧弧中受激而而发出该金金属的特性性光谱。另另一方面，，电弧中心心的金属原原子和卤素素原子也向向管壁扩散散，而管壁壁温度远低低于电弧温温度。当金金属原子和和卤素原子子在比较冷冷的管壁区区域相遇时时，它们将将再次化合合形成卤化化物。卤化化物再向电电弧中心扩扩散，如此此往复循环环，不断地地向电弧提提供金属蒸蒸气，使灯灯不断地辐辐射出强烈烈的光。6.1发光二极管管的基本工工作原理与与特性1907年首次发现现半导体二二极管在正正向偏置的的情况下发发光。70年代末，人人们开始用用发光二极极管作为数数码显示器器和图像显显示器。进进十年来，，发光二极极管的发光光效率及发发光光谱都都有了很大大的提高，，用发光二二极管作光光源有许多多优点。6.1.1发光二极管管的发光机机理发光二极管管（即LED）是一种注注入电致发发光器件，，它由P型和N型半导体组组合而成。。其发光机机理常分为为PN结注入发光光与异质结结注入发光光两种。1.PN结注入发光光1.PN结注入发光光PN结处于平衡衡时，存在在一定的势势垒区，其其能带如图图6-1所示。当加加正偏压时时，PN结区势垒降降低，从扩扩散区注入入的大量非非平衡载流流子不断地地复合发光光，并主要要发生在p区。2.异质结注入入发光为了提高载载流子注入入效率，可可以采用异异质结。图图2-13（a）表示理想想的异质结结能带图。。由于p区和n区的禁带宽宽度不相等等，当加上上正向电压压时小区的的势垒降低低，两区的的价带几乎乎相同，空空穴就不断断向n区扩散。对n区电子，势势垒仍然较较高，不能能注入p区。这样，禁带带宽的p区成为注入入源，禁带带窄的n区成为载流流子复合发发光的发光光区（图2-13（b））。例如如，禁带宽宽EG2=1.32eV的p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eVp-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结结后，n-GaAs的空穴注入入n-GaAs区复合发光光。由于n区所发射的的光子能量量hv比EG2小得多，它它进入p区不会引起本本征吸收而直直接透射出去去。6.1.2基本结构1.面发光二极管管图6-3所示为波长0.8～0.9μm的双异质结GaAs／AIGaAs面发光型LED的结构。它的的有源发光区区是圆形平面面，直径约为为50μm，厚度小于2.5μm。一段光纤(尾纤)穿过衬底上的的小圆孔与有有源发光区平平面正垂直接接入，周围用用粘合材料加加固，用以接收有源源发光区平面面射出的光，，光从尾纤输输出。有源发发光区光束的的水平、垂直直发散角均为为120°。2.边发光二极管管图6-4所示为波长1.3μm的双异质结InGaAsP／InP边发光型LED的结构。它的的核心部分是是一个N型AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折折射率比有源源层低，比周周围其他材料料的折射率高高，从而构成成以有源层为为芯层的光波波导，有源层层产生的光辐辐射从其端面面射出。为了和光纤的的纤芯尺寸相相配合，有源源层射出光的的端面宽度通通常为50～70μm，长度为100～150μm。边发光LED的方向性比面面发光器件要要好，其发散散角水平方向向为25°～35°，垂直方向为为120°。6.1.3LED的特性参数1.发光光谱和发发光效率LED的发光光谱指指LED发出光的相对对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲曲线。它直接接决定着发光光二极管的发发光颜色，并并影响它的发发光效率。发发射光谱的形形成由材料的的种类、性质质以及发光中中心的结构决决定的，而与与器件的几何何形状和封装装方式无关。。描述光谱分分布的两个主主要参量是它的峰值波波长和发光强强度的半宽度度。对于辐射射跃迁所发射射的光子，其其波长λ与跃迁前后的的能量差ΔE之间的关系为为λ＝hc／ΔE。复合跃迁前前后的能量差差大体就是材材料的禁带宽宽Eg。因此，峰值值波长由材料料的禁带宽度度决定。例如GsAs的峰值波长出出现在1.1eV，比室温下的的禁带宽度少少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，峰峰值波长在620～680nm之间变化，谱谱线半宽度大大致为20～30nm。GaP发红光的峰值值波长在700nm附近，半宽度度大约为100nm。峰值光子的能能量还与温度度有关，它随随温度的增加加而减少。在在结温上升时时，谱带波长长以0.2~0.3nm/℃的比例向长波波方向移动。。发光二极管发发射的光通量量与输人电能能之比表示发发光效率，单单位lm/W；也有人把光光强度与注入入电流之比称称为发光效率率，单位为cd／A（坎/安）。GaAs红外发光二极极管的发光效效率由输出辐辐射功率与输输入电功率的的百分比表示示。发光效率由内内部量子效率率与外部量子子效率决定。。内部量子效效率在平衡时时，电子-空穴对的激发发率等于非平平衡载流子的的复合率（包包括辐射复合合和无辐射复复合），而复复合率又分别别决定于载流流子寿命τr和τrn，其中辐射复复合率与1/τr成正比，无辐辐射复合率为为1/τrn，内部量子效效率为（6-1）式中，neo为每秒发射出出的光子数,ni为每秒注入到到器件的电子子数,τr是辐射复合的的载流子寿命命,τrn是无辐射复合合的载流子寿寿命。由式中中可以看出，，只有τrn＞＞τr，才能获得有有效的光子发发射。必须指出，辐辐射复合发光光的光子并不不是全部都能能离开晶体向向外发射。光光子通过半导导体有一部分分被吸收，有有一部分到达达界面后因高高折射率（折折射系统的折折射系数约为为3～4）产生全反射射而返回晶体体内部后被吸吸收，只有一一部分发射出出去。因此，，将单位时间间发射到外部部的光子数nex除以单位时间间内注入到器器件的电子-空穴对数nin定义为外部量量子效率ηex，即(6-2)对GaAs这类直接带隙隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]红光发射效率率ηev很小，最高为为15％；发绿光的的GaP[N]的ηev约为0.7％；对发红光光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％；对发红外外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev约为0.1％。2.时间响应特性性与温度特性性提高外部量子子效率的措施施有三条：①用比空气折折射率高的透透明物质如环环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光光二极管上；；②把晶体表面面加工成半球球形；③用禁带较宽宽的晶体作为为衬底，以减减少晶体对光光吸收。发光二极管的的时间响应快快，短于1μs，比人眼的时时间响应要快快得多，但用用作光信号传传递时，响应应时间又显得得太长。发光光二极管的响响应时间取决决于注入载流流子非发光复复合的寿命和和发光能级上上跃迁的几率率。通常发光二极极管的外部发发光效率均随随温度上升而而下降。图6-6表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极极管的相对光光亮度Le,λ,r与温度t的关系曲线。。3.发光亮度与电电流的关系发光二极管的的发光亮度L是单位面积发发光强度的量量度。在辐射射发光发生在在P区的情况下，，发光亮度L与电子扩散电电流idn之间的关系为为(6-3)式中，τ是载流子辐射射复合寿命τR和非辐射复合合寿命τNR的函数如图6-7所示为GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaP(绿色)发光二极管的的发光亮度与与电流密度的的关系曲线。。这些LED的亮度与电流流密度近似成成线性关系，，且在很大范范围内不易饱饱和。4.最大工作电流流在低工作电流流下，发光二二极管发光效效率随电流的的增加而明显显增加，但电电流增加到一一定值时，发发光效率不再再增加；相反反，发光效率率随工作电流流的继续增加加而降低。图图6-8表示发红光的的GaP发光二极管内内量子效率ηin的相对值与电电流密度J及温度T间的关系。随随着发光管电电流密度的增增加，pn结的温度升高高，将导致热热扩散，使发发光效率降低低。因此，最大工工作电流密度度应低于最大大发射效率的的电流密度值值。若发光二二极管的最大大容许功耗为为Pmax，则发光管最最大容许的工工作电流为（6-4）式中，rd为发光二极管管的动态内阻阻；If、Uf均为发光二极极管在较小工工作电流时的的电流和正向向压降。5.伏安特性发光二极管的的伏安特性如如图6-9所示，它与普普通二极管的的伏安特性大大致相同。电电压小于开启启点的电压值值时无电流，，电压一超过过开启点就显显示出欧姆导导通特性。这这时正向电流流与电压的关关系为i＝ioexp(eV/mkT)(6-5)式中，，m为复合合因子子。在在较宽宽禁带带的半半导体体中，，当电电流i<0.1mA时，通通过结结内深深能级级进行行复合合的空空间复复合电电流起起支配配作用用，这这时m＝2。电流流增大大后，，扩散散电流流占优优势时时，m＝1。因而而实际际测得得的m值大小小可以以标志志器件件发光光特性性的好好坏。。6.寿命发光二二极管管的寿寿命定定义为为亮度度降低低到原原有亮亮度一一半时时所经经历的的时间间。二二极管管的寿寿命一一般都都很长长，在在电流流密度度小于于lA/cm2时，一一般可可达106h，最长长可达达109h。随随着着工工作作时时间间的的加加长长，，亮亮度度下下降降的的现现象象叫叫老老化化。。老老化化的的快快慢慢与与工工作作电电流流密密度度有有关关。。随随着着电电流流密密度度的的加加大大，，老老化化变变快快，，寿寿命命变变短短。。7.响应应时时间间在快快速速显显示示时时，，标标志志器器件件对对信信息息反反应应速速度度的的物物理理量量叫叫响响应应时时间间，，即即指指器器件件启启亮亮(上升升)与熄熄灭灭(衰减减)时间间的的延延迟迟。。实实验验证证明明，，二二极极管管的的上上升升时时间间随随电电流流的的增增加加而而近近似似呈呈指指数数衰衰减减。。它它的的响响应应时时间间一一般般是是很很短短的的，，如如GaAs1-xPx仅为为几几个个ns，GaP约为为100ns。在在用用脉脉冲冲电电流流驱驱动动二二极极管管时时，，脉脉冲冲的的间间隔隔和和占占空空因因数数必必须须在在器器件件响响应应时时间间所所许许可可的的范范围围内内。。6.1.4驱动动电电路路发光光二二极极管管工工作作需需要要施施加加正正向向偏偏置置电电压压，，以以提提供供驱驱动动电电流流。。典典型型的的驱驱动动电电路路如如图图6-10所示示，，将将LED接入入到到晶晶体体三三极极管管的的集集电电极极，，通通过过调调节节三三极极管管基基极极偏偏置置电电压压，，可可获获得得需需求求的的辐辐射射光光功功率率。。在在光光通通信信中中以以LED为光光源源的的场场合合，，需需要要对对LED进行行调调制制，，则则调调制制信信号号通通过过电电容容耦耦合合到到基基极极，，输输出出光光功功率率则则被被电电信信号号所所调调制制。。6.2发光光二二极极管管的的应应用用6.2.1数字字、、文文字字及及图图像像显显示示6.2.2指示示、、照照明明6.2.3光电电开开关关、、报报警警、、遥遥控控、、耦耦合合6.2.4光源源思考考题题与与习习题题66.1为什什么么说说发发光光二二极极管管的的发发光光区区在在PN结的的P区？？这这与与电电子子、、孔孔穴穴的的迁迁移移率率有有关关吗吗？？6.2为什什么么发发光光二二极极管管必必须须在在正正向向电电压压作作用用下下才才能能发发光光？？反反向向偏偏置置的的发发光光二二极极管管能能发发光光吗吗？？6.4光电电耦耦合合器器件件6.4.1光电电耦耦合合器器件件的的结结构构与与电电路路符符号号将发发光光器器件件与与光光电电接接收收器器件件组组合合成成一一体体，，制制成成具具有有信信号号传传输输功功能能的的器器件件称称为为光光电电耦耦合合器器件件。。光光电电耦耦合合器器件件的的发发光光件件常常用用LED发光光二二极极管管、、LD半导导体体激激光光器器和和微微形形钨钨丝丝灯灯等等。。光光电电接接收收器器件件常常用用光光电电二二极极管管、、光光电电三三极极管管、、光光电电池池及及光光敏敏电电阻阻等等。。由由于于光光电电耦耦合合器器件件的的发发送送端端与与接接收收端端是是电电、、磁磁绝绝缘缘的的，，只只有有光光信信息息相相连连。。因因此此，，在在实实际际应应用用中中它它具具有有许许多多特特点点，，成成为为重重要要的的器器件件。。用来来制制造造光光电电耦耦合合器器件件的的发发光光元元件件与与光光电电接接收收元元件件的的种种类类都都很很多多，，因因而而它它具具有有多多种种类类型型和和多多种种封封装装形形式式。。本本节节仅仅介介绍绍几几种种常常见见的的结结构构。。1.光电耦合合器件的的结构光电耦合合器件的的基本结结构如图图6-28所示，图图6-28（a）为发光光器件（（发光二二极管））与光电电接收器器件（光光电二极极管或光光电三极极管等））被封装装在黑色色树脂外外壳内构构成光电电耦合器器件。图图6-28（b）者将发发光器件件与光电电器件封封装在金金属管壳壳内构成成的光电电耦合器器件。使使发光器器件与光光电接收收器件靠靠得很近近，但不不接触。。光电耦合合器件的的电路符符号如图图6-29所示，图图中的发发光二极极管泛指指一切发发光器件件，图中中的光电电二极管管也泛指指一切光光电接收收器件。。图6-30所示为几几种不同同封装的的光电耦耦合器，，图中（（a）、（b）、（c）分别为为三种不不同安装装方式光光电发射射器件与与光电接接收器件件分别安安装器件件的两臂臂上，分分离尺寸寸一般在在4~12mm，分开的的目的是是要检测测两臂间间是否存存在物体体，以及及物体的的运动速速度等参参数。这这中封装装的器件件常被称称为光电电开关。。图中（d）反光型型光电耦耦合器，，LED和光电二二极管封封装在一一个壳体体内，两两者发射射光轴同同接收光光轴夹一一锐角，，LED发出的光光被测物物体反射射，并被被光电二二极管接接收，构构成反光光型光电电耦合器器。图中（e）为另一一种反光光型光电电耦合器器，LED和光电二二极管平平行封装装在一个个壳体内内，LED发出的光光可以在在较远的的位置上上放置的的器件反反射到光光电二极极管的光光敏面上上。显然然，这种种反光型型光电耦耦合器要要比成锐锐角的耦耦合器作作用距离离远。图中（f）DIP封装形式式的光电电耦合器器件。这这种封装装形式的的器件有有多种，，可将几几组光电电耦合器器封装在在一片DIP中，用作作多路信信号隔离离传输。。3.光电耦合合器件的的特点⑴具有电隔隔离的功功能它的输入入、输出出信号间间完全没没有电路路的联系系，所以以输入和和输出回回路的电电子零位位可以任任意选择择。绝缘缘电阻高高达1010~l012Ω，击穿电电压高达达100~25kV，耦合电电容小于于1PF。⑵信号传输输方式信号传输输是单向向性的，，不论脉脉冲、直直流都可可以使用用。适用用于模拟拟信号和和数字信信号。⑶具有抗干干扰和噪噪声的能能力它作为继继电器和和变压器器使用时时，可以以使线路路板上看看不到磁磁性元件件。它不不受外界界电磁干干扰、电电源干扰扰和杂光光影响。。⑷响应速度度快⑹即具有耦耦合特性性又具有有隔离特特性它能很容容易地把把不同电电位的两两组电路路互连起起来，圆圆满地完完成电平平匹配、、电平转转移等功功能；一般可达达微秒数数量级，，甚至纳纳秒数量量级。它它可传输输的信号号频率在在直流至至10MHz之间。⑸实用性强强具有一般般固体器器件的可可靠性，，体积小小(一般φ6×6mm)，重量轻轻，抗震震，密封封防水，，性能稳稳定，耗耗电省，，成本低低，工作作温度范范围在－－55~+l00℃之间。6.4.2光电耦合合器件的的特性参参数光电耦合合器件的的主要特特性为隔隔离特性性与传输输特性。。1.传输特性性光电耦合合器件的的传输特特性就是是输入与与输出间间的特性性，它用用下列几几个性能能参数来来描述。。（1）电流传传输比β在直流工工作状态态下，光光电耦合合器件的的集电极极电流Ic与发光二二极管的的注入电电流IF之比定义义为光电电耦合器器件的电电流传输输比，用用β表示。如如图6-31所示为光光电耦合合器件的的输出特特性曲线线，在其其中部取取一工作作点Q，它所对对应的发发光电流流为IFQ，对应的的集电极极电流为为ICQ，因此该点点的电流流传输比比为βQ=ICQ/IFQ╳100%（6-19）如果工作作点选在在靠近截截止区的的Q1点时，虽虽然发光光电流IF变化了ΔIF，但相应应的ΔIC1，变化量量却很小小。这样样，β值很明显显地要变变小。同同理，当当工作点点选在接接近饱和和区Q3点时，β值也要变变小。这这说明工工作点选选择在输输出特性性的不同同位置时时，就具具有不同同的β值。因此，在在传送小小信号时时，用直直流传输输比是不不恰当的的，而应应当用所所选工作作点Q处的小信信号电流流传输比比来计算算。这种种以微小小变量定定义的传传输比称称为交流流电流传传输比。。用β来表示。。即β=ΔIc/ΔIF╳100%(6-20)对于输出出特性线线性度做做得比较较好的光光电耦合合器件，，β值很接近近值。在在一般的的线性状状态使用用中，都都尽可能能地把工工作点设设计在线线性工作作区；对对于开关关使用状状态，由由于不关关心交流流与直流流电流传传输比的的差别，，而且在在实际使使用中直直流传输输比又便便于测量量，因此此通常都都采用直直流电流流传输比比β。光电耦合合器件的的电流传传输比与与三极管管的电流流放大倍倍数都是是输出与与输入电电流之比比值，但但有本质质的差别别。光电电耦合器器件内的的输入电电流使发发光二极极管发光光，光电电耦合器器件的输输出电流流是光电电接收器器件（光光电二极极管或光光电三极极管）接接收到的的光产生生的光电电流，可可用αIF表示，其其中α与发光二二极管的的发光效效率、光光敏三极极管的增增益及二二者之间间距离等等参数有有关的系系数，通通常称为为光激发发效率。。图6-32所示为光光电耦合合器件的的电流传传输比β随发光电电流IF的变化曲曲线。在在IF较小时，，耦合器器件的光光电接收收器件处处于截止止区，因因此β值较小；；当IF变大后，，光电接接收器件件处于线线性工作作状态，，β值将随IF增加，而而后，IF再增大，，β反而会变变小，因因为发光光二极管管发出的的光不总总与电流流成正比比。图6-33是β随环境温温度的变变化曲线线。(2)输入与输输出间的的寄生电电容CFC这是是输输入入与与输输出出端端之之间间的的寄寄生生电电容容。。当当CFC变大大时时，，会会使使光光电电耦耦合合器器件件的的工工作作频频率率下下降降，，也也能能使使其其共共模模抑抑制制比比CMRR下降降，，故故后后面面的的系系统统噪噪音音容容易易反反馈馈到到前前面面系系统统中中。。对对于于一一般般的的光光电电耦耦合合器器件件，，其其CFC仅仅仅为为几几个个pF，一一般般在在中中频频范范围围内内都都不不会会影影响响电电路路的的正正常常工工作作，，但但在在高高频频电电路路中中就就要要予予以以重重视视了了。。(3)最高高工工作作频频率率fm频率率特特性性分分别别取取决决于于发发光光器器件件与与光光电电接接收收器器件件的的频频率率特特性性，，由由发发光光二二极极管管与与光光电电二二极极管管组组成成的的光光电电耦耦合合器器件件的的频频率率响响应应最最高高，，最最高高工工作作频频率率fm接近近于于10MHz，其其他他组组合合的的频频率率响响应应相相应应降降低低。。图6-35示出出了了一一个个光光电电耦耦合合器器件件的的频频率率曲曲线线。。图中中RC为光光电电耦耦合合器器的的负负载载电电阻阻，，显显然然，，最最高高工工作作频频率率fm与负负载载电阻阻值值有有关关。。减减小小负负载载电电阻阻会会使使光光电电耦耦合合器器件件的的最最高高工工作作频频率率fM增高高。。（4）脉脉冲冲上上升升时时间间tr和下下降降时时间间tf光电电耦耦合合器器在在脉脉冲冲电电压压信信号号的的作作用用下下的的时时间间响响应应特特性性用用输输出出端端的的上上升升时时间间tr和下下降降时时间间tf描述述。。如如图图6-36所示示为为典典型型光光电电耦耦合合器器件件的的脉脉冲冲响响应应特特性性曲曲线线。。2.隔离离特特性性(1)输入入与与输输出出间间隔隔离离电电压压BVCFO光电电耦耦合合器器的的输输入入（（发发光光器器件件））与与输输出出（（光光电电接接收收器器件件））的的隔隔离离特特性性可可用用它它们们之之间间的的隔隔离离电电压压BVCFO来描描素素。。一一般般低低压压使使用用时时隔隔离离特特性性都都能能满满足足要要求求，，在在高高压压使使用用时时，，隔隔离离电电压压成成为为重重要要的的参参数数。。已已经经可可以以制制造造出出用用于于高高压压隔隔离离应应用用的的耐耐压压高高达达几几千千伏伏或或上上万万伏伏的的光光电电耦耦合合器器件件。。(2)输入入与与输输出出间间的的绝绝缘缘电电阻阻RFC光电电耦耦合合器器隔隔离离特特性性另另一一种种描描述述方方式式是是绝绝缘缘电电阻阻。。光光电电耦耦合合器器的的隔隔离离电电阻阻一一般般在在1091013Ω之间间。。它它与与耐耐压压密密切切相相关关，，它它与与β的关关系系和和耐耐压压与与β的关关系系一一样样。。~3.光电电耦耦合合器器件件的的抗抗干干扰扰特特性性(1)光电电耦耦合合器器件件抗抗干干扰扰强强的的原原因因①光光电电耦耦合合器器件件的的输输入入阻阻抗抗很很低低，，一一般般为为10ΩΩ~1kΩΩ；而而干干扰扰源源的的内内阻阻很很大大，，为为103~106Ω。按按分分压压比比计计算算，，能能够够馈馈送送到到光光电电耦耦合合器器件件输输入入端端的的干干扰扰噪噪声声变变得得很很小小。。②由由于于干干扰扰噪噪声声源源的的内内阻阻很很大大，，干干扰扰电电压压供供出出的的能能量量却却很很小小，，只只能能形形成成很很弱弱的的电电流流。。而而发发光光二二极极管管只只有有在在通通过过一一定定的的电电流流时时才才能能发发光光。。因因此此，，被被它它抑抑制制掉掉。。③光光电电耦耦合合器器件件的的输输入入、、输输出出是是用用光光耦耦合合的的，，且且被被密密封封在在管管壳壳内内，，不不会会受受到到外外界界光光的的干干扰扰。。④光光电电耦耦合合器器件件的的输输入入、输出出间间寄寄生生电电容容很很小小(为0.5~2pF)，绝绝缘缘电电阻阻大大(为1011~1013Ω)，因因而而输输出出系系统统的的各各种种干干扰扰噪噪音音很很难难通通过过光光电电耦耦合合器器件件反反馈馈到到输输入入系系统统。。(2)光电电耦耦合合器器件件抑抑制制干干扰扰噪噪声声电电平平的的估估算算在向向光光电电耦耦合合器器输输送送信信息息(例如如矩矩形形脉脉冲冲信信号号)的同同时时，，不不可可避避免免地地进进入入干干扰扰信信号号。。这这些些干干扰扰信信号号由由系系统统自自身身产产生生的的干干扰扰、、电电源源脉脉动动干干扰扰、、外外界界电电火火花花干干扰扰以以及及继继电电器器释释放放所所产产生生的的反反电电势势的的泄泄放放干干扰扰等等。。干干扰扰信信号号包包含含各各种种白白噪噪声声和和各各种种频频率率的的尖尖脉脉冲冲，，其中以继电器器等电磁电器器的开关干扰扰最为严重。。这些干扰信信号的波形如如图6-37（a）所示