光电技术-06发光器件与光电耦合器件

第六章发光器件与光电耦合器件发光二极管实物图6.1发光二极管的基本工作原理与特性

6.1.1LED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。

PN结的能带结构

N型半导体P型半导体EcEvEcEvEFpEFn1.PN结注入发光

发光区：P区注入率不高、可能会产生本征吸收2.异质结注入发光

P区：注入源、透射区N区：发光区6.1.2基本结构

1.面发光二极管

2.边发光二极管

6.1.3LED的特性参数

1.发光光谱和发光效率

（1）发光光谱－－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。决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。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。峰值波长和发光强度的半宽度（2）发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。neo－－每秒发射出的光子数ni－－为每秒注入到器件的电子数τr－－辐射复合的载流子寿命τrn－－是无辐射复合的载流子寿命只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子发射

内部量子效率：外部量子效率ηex：nin－－单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nex－－单位时间发射到外部的光子数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：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。

①用比空气折射率高的透明物质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。

温度特性通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。3.发光亮度与电流的关系

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

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

最大电流密度应低于最大发射效率时的值。Rd：LED的内阻；If、Uf：它在较小电流时的电流和压降。

5.伏安特性

i＝ioexp(U/mkT)

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

寿命--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.光强分布不同型号的LED发出的光在半球空间内具有不同的光强分布规律。其机械轴与光轴往往并不重叠而在空间上具有夹角Δθ，LED的发光强度是光轴为基准关于角度θ的函数Iv=f(θ)不同的应用对分布函数的要求不同，希望远距离传输光能量的应用要求半角宽度尽量小，以免能量在传输过程中损失过大。而要求获得均匀面光源的情况下又要求其“半角”尽量增大。发光强度衰减到一半时所对应的角度称为LED的半发光强度角（或半角），用θ1/2表示。半角宽度，光轴与机械轴偏向角的测量在实际应用中是非常重要的环节。因此，设计出多种测量设备。天津市耀辉光电技术有限公司生产的LEDA-Ⅱ型发光角度特性测试仪为其最佳产品。它能够同时测量“偏向角”、“半角”和LED正、反向电流、电压等特性参数。6.1.4驱动电路

LED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

6.3半导体激光器1.半导体激光器发光机里2.SLD的主要机构6.3.1半导体激光器的发光原理受激辐射粒子数反转谐振腔1.量子跃迁EcEvE禁带导带价带不稳定过程：导带中的电子以一定的几率自发地与价带中的空穴复合并以光子的形式释放出复合所产生的能量。a：自发辐射光子的特点：非相干应用：LEDb:受激辐射光子的特点：相干光应用：SLDc:受激吸收应用：光探测器，太阳能电池等过程：在适当能量的光子作用下，能带中电子获得能量跃迁到导带中，形成电子－空穴对。三种量子跃迁的区别与联系受激吸收与受激辐射是互逆的过程自发辐射与受激辐射区别是是否有外来光子参与同一光电器件可以同时出现两种或三种跃迁d：非辐射跃迁影响SLD的量子效率、稳定性等，是不利因素EcEv声子，热跃迁△E△E这样才能得到激光？产生激光的必要条件之一：受激辐射占主导地位EcEvE禁带导带价带正常分布禁带导带价带反转分布产生激光的必要条件之二：粒子数的反转分布2.粒子数反转产生粒子数反转分布的方法：注入载流子－－半导体激光器强光对激光进行照射－－半导体、固体激光器气体电离－－半导体、气体激光器3.谐振腔工作物质1234产生激光的必要条件之三：有个谐振腔EcEv光增益相干光子有无谐振腔就是LED与SLD的重要区别，LED无腔稳定工作的条件：稳定工作的条件之一：适合的谐振腔L稳定工作的条件之二：光增益g等于或大于总损耗阈值增益，阈值电流在腔内传播的平面波：L在两个腔面间来回反射后：结论：每个整数m都对应一个频率或一个震荡的纵模模式纵模分布I增益曲线损耗曲线增益曲线2个以上的纵模激励的LD称为多纵模LD仅有一个纵模激励的LD称为单纵模LDLD的发光过程：注入电流，即注入载流子在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到到价带，产生光子光子被导带中的电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，即光子在适当的腔内振荡放大光子稳定振荡，光能量大于总损耗，LD开始工作

基本结构：驱动电源、工作物质、谐振腔二、SLD的主要结构驱动电源注入式、光激励、电子束偏转驱动电源同质（PN结型）结激光器、异质结激光器、分布反馈式半导体激光器谐振腔法布里-珀罗腔、圆柱腔、矩形腔、三角形腔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（LED）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。

3.光电耦合器件的特点

⑴

具有电隔离的功能

⑵

信号单向传输方式

⑶

具有抗干扰和噪声的能力

⑷

响应速度快

⑹即具有耦合特性又具有隔离特性⑸

实用性强

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隔离特性与传输特性。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来描素。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，它与β的关系和耐压与β的关系一样。~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，且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+(2

A/π)cos2πFt－(2

A/3π)cos2π3Ft+(2

A/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