第六章发光器件与光电耦合器件

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。按激发的方式可将冷光源分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。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。

LED的发展历史1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1lm/w1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1lm/w,并且能够发出红光、橙光和黄光1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1lm/wLED（LightingEmittingDiode）LED的发展历史80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到40—50lm/w1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04lm/w90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术白光LED光谱实验中测得的荧光灯谱线－－混合光谱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，例如：体积小、重量轻，便于集成；工作电压低、耗电小、驱动简便，便于计算机控制；既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管。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

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＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，p-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0.8～0.9μm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50μm，厚度小于2.5μm。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1.3μm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50～70μm，长度为100～150μm。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λ与跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为λ＝hc／ΔE。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入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τr和τrn，其中辐射复合率与1/τr成正比，无辐射复合率为1/τrn，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,τr是辐射复合的载流子寿命,τrn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，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ηex，即(6-2)

对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]红光发射效率ηev很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的ηev约为0.7％；对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％；对发红外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev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：①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；②把晶体表面加工成半球形；③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1μs，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。

不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。因此它们可用在10~100MHZ高频系统当光线以近法线入射时，反射比和透射比分别为：如普通玻璃，反射比大约为4%透射比大约为70.2%，n2改为树脂（1.5），透射比则为84.9%通常发光二极管的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,λ,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，τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射复合寿命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ηin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(U/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光源静态显示方式工作特点：缺点是电路中占用I/O口资源多；优点是占用CPU机时少，显示稳定可靠动态显示方式工作特点：优点是占用I/O资源少；缺点是需用软件程序不断地循环扫描定时刷新，因而用了CPU的大多数机时。蓝、绿、白光LED室外大LED全彩色屏幕LED交通信号灯城市建筑装饰灯光工程花旗银行大厦白光LED射灯白光LED(1998年发白光的LED开发成功)

固体冷光源，效率高，绿色环保寿命长，可以达到10万小时（连续10年）低电压工作是照明领域的又一次革命基于蓝光LED，通过荧光粉激发出黄光，组合成为白光通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光美国国家半导体照明计划从2000年起国家投资5亿美元到2010年55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代每年节电达350亿美元2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场日本21世纪照明计划投入资金50亿日元到2007年30%的白炽灯被置换为半导体照明灯存在的问题价格过高发光效率还不够高性价比低还不到民众普及的时刻半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与理论寿命有差距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。2、光电耦合器件的特点⑴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~l012Ω，击穿电压高达100~25kV，耦合电容小于1PF。

⑵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。

⑶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。

⑷响应速度快

⑹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。⑸实用性强

具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般φ6×6mm)，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传输特性与隔离特性。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β

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β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βQ=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ΔIF，但相应的ΔIC1，变化量却很小。这样，β值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区Q3点时，β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β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β来表示。即β=ΔIc/ΔIF╳100%(6-20)

对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，β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β。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αIF表示，其中α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β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β值较小；当IF变大后，光电接收器件处于线性工作状态，β值将随IF增加，而后，IF再增大，β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β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来描述。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1091013Ω之间。它与耐压密切相关。~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①光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω~1kΩ；而干扰源的内阻很大，为103~106Ω。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。②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。③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。④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1011~1013Ω)，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1μs，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/π)cos2πFt－(2A/3π)cos2π3Ft+(2A/5π)cos2π5Ft…(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)=2

A/πcos2πFt(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=lkΩ。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通，使得输出信号为“0”，故为与门逻辑电路，Uo=Ui1·Ui2。光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。acdb

图6-41所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。

将这些电源与逻辑电平不同的部分耦合起来需要采用光电耦合器。

输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介

6.5.3、隔离方面的应用

有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分