第4章 发光与耦合器件

光电检测技术第四章第四章发光与耦合器件主要教学内容4.1发光二极管和激光器4.1.1发光器件4.1.2激光器4.2光电耦合器件4.3CCD光源分类:（根据频谱宽度）非相干光源4.1发光二极管和激光器热辐射光源（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。4.1发光二极管和激光器2.气体放电光源定义:利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。

气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3第四章发光与耦合器件主要教学内容4.1发光二极管和激光器4.1.1发光二极管4.1.2激光器4.2光电耦合器件4.3CCD4.4.1发光二极管(Lightemittingdiode)特点：由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。

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。

发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称作注入式场致发光光源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1、ELED（侧面发光型）的结构（Flash演示）2、SLED（正面发光型）的结构（Flash演示）

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ELED和正面发光型SLED光谱特性：LED的发光谱决定其发光颜色，目前可实现各类颜色。LED具有正的温度系数，温度升高时，发射波长红移，约为：0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAs0.6P0.4λp=690nmλp=650nmGaP(Zn,N)λp=565nmGaP(Zn,O)λp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度发光二极管的光谱特性

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

间接跃迁型GaP的响应时间为100ns载流子复合只放出光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GaAs的响应时间几个ns发光二极管的P-I特性曲线：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4321050100150电流/mA输出光功率/mW0℃25℃70℃驱动电路及伏安特性：UccRLUFIFRL为限流电阻UF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。1.01.52.02.5120100806040200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。+5VLEDReRb2Rb1VinLED信号控制电路：

发光二极管LED介绍（补充）LED的应用：

1、数字显示用显示器

利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型数字显示字段型数字显示树脂反射框引线框架LED芯片LED的特点：LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。

七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管LED的应用

1、数字显示用显示器LED的特点：LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。

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

红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中。4、光电开关、报警、遥控＆耦合第四章发光与耦合器件主要教学内容4.1发光二极管和激光器4.1.1发光二极管4.1.2激光器4.2光电耦合器件4.3CCD梅曼和第一只激光器4.1.2激光器激光器的种类：气体（如He-Ne、CO2）固体（如红宝石Al2O3）半导体（如砷化镓GaAs）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——激励能源——光学谐振腔产生激光必要条件1.实现粒子数反转２.使原子被激发３.要实现光放大激光的形成过程:

工作物质激励、受激辐射自激振荡增益外界能量注入（泵浦）光学谐振腔部分反射镜全反射镜光学谐振腔一、气体激光器He-Ne气体激光器He-Ne

激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条:

0．6328ｍ、1．15m、3．39ｍ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1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。红宝石激光器灯泵浦Nd:YAG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三、半导体激光器（LD，LaserDiode）半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。LD的工作原理和基本结构四、激光器的基本特性1、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He—Ne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。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：2、方向性好

He-Ne气体激光：3×10-4rad；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：

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点。3、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、相干性好全息照相

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。

第四章发光与耦合器件主要教学内容4.1发光二极管和激光器4.1.1发光二极管4.1.2激光器4.2光电耦合器件4.3CCD光电耦合器件的工作原理：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。4.2光电耦合器件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。透光型反射型光电耦合器件的特点具有电隔离的功能，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。光电耦合器件的主要参数1、电流传输比βIc/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1ΔIFΔIFΔIFQIFO

定义为在直流状态下，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。如图中在Q点处电流传输比为：如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：β在饱和区和截止区都变小。β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β有如图示的变化。43210

50100150

电流/mA输出功率/mW发光二极管的P-I曲线β01020304050607012010080604020IF/mAIF与β的关系曲线2、最高工作频率f/MHz相对输出1.00.7070fm1fm2fm3RL1>RL2>RL3

最高工作频率取决于发光器件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。光电耦合器件的应用（一）有光照时，T1饱和导通，u0≈0V光被遮时，T1截止，u0≈+5V由此对电路起控制(开关)作用。光电耦合器件的应用（二）

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=A×B.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”、“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光电耦合器件的应用（三）光电耦合器件光电耦合继电器光电隔离器（传感器）第四章发光与耦合器件主要教学内容4.1发光二极管和激光器4.1.1发光二极管4.1.2激光器4.2光电耦合器件4.3CCD4.3CCD（选讲）电荷耦合器件（CCD）的类型：表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片

CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。

彩色CCD显微照片（放大7000倍）

一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。

1）CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。

2）取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。

3）移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。

4）输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。

CCD的基本工作原理工作过程：电荷的产生、存储、传输＆检测。一、电荷存储栅电极G氧化层P型半导体耗尽区反型层uG>uthuG<uthuG=0构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UG<Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸；当UG>Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。ФSUGP型硅杂质浓度Nd=1021m-3反型层电荷QINV=0

Uth=1.0V1.4V2.2V3.0Vdox=0.1um0.30.40.6表面势与栅极电压的关系ФSQINVdox=0.1umdox=0.2umUG=15VUG=10V表面势与反型层电荷密度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=Cox•UG•A电荷存储过程：

假定开始有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的势阱里，其它电极上均加有大于阈值得较低电压（例如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。如图b＆c。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。二、电荷耦合2V10V2V2Va存有电荷的势阱b2V10V2V2V10V10V2V2V10V2V10V2V2V2V10V2VcdefФ1Ф2Ф3作业1.请对第三、四章所介绍的各种光电检测器件进行性能比较。2.各种光电检测器件的应用选择，在应用时要注意哪些参数和使用要点？谢谢！三、电荷的注入＆检测1、电荷的注入（1）光注入当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。它有可分为正面照射式＆背面照射式。其光注入电荷：材料的量子效率入射光的光子流速率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（2）电注入：CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流注入法IDuINuIDN+IGФ1Ф2Ф3Ф2PФ2ID为源极，IG为栅极,而为漏极，当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为：经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：IDIGФ2Ф1Ф3Ф2Ф3Ф1N+P-Si电压注入法与电流注入法类似，但输入栅极IG加与Ф2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Ф2下的势阱里，直到阱的电位与N+区的电位相等时，注入电荷