发光器件与光电耦合器件概述.

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。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。光源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温度辐射发光光致发光阴极射线发光放射线发光电致发光注入式电发光LED(Lightemittingdiode)6.1发光二极管的基本工作原理与特性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(同质结)注入发光(发生在p区)与异质结注入发光(发生在n区)两种。本章主要介绍注入式半导体发光器件(LED、LD)及光电耦合器件。重点：LED、LD的发光原理及光电耦合器件的应用1.PN结（同质结）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。huEgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+ElectroninCBHoleinVBEcEvEcEvEFeVoElectronenergy问题：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发光二极管能发光吗？2.异质结注入发光禁带宽的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.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(面发光和边发光)1.面发光二极管光从尾纤输出。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。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，峰值波长由材料的禁带宽度决定。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；或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。内部量子效率为nrrieoin11nn（6-1）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。只有τrn＞＞τr，才能获得有效的光子发射。外部量子效率ηex: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，即exexinn(6-2)对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如GaP[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。响应时间是指注入电流后发光二极管启亮或去掉电流后发光二极管熄灭的时间。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。通常发光二极管的外部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.发光亮度与注入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ReiLdn(6-3)τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射复合寿命τnr的函数4.最大工作电流工作电流:几mA－几十mA若工作电流较小，LED发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。随着电流密度的增加，pn结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LED的最大功耗为Pmax，则其最大的电流为dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4）式中，rd为LED的内阻；If、Uf均为它在较小电流时的电流和压降。5.伏安特性正向电流与电压的关系为i＝ioexp(qU/mkT)m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i0.1mA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。(6-5)43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW6.P-I特性7.寿命LED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。8.响应时间LED响应时间指器件启亮(上升)（发光亮度从10％上升到90％所经历的时间）与熄灭(衰减)所经历的时间。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。LED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，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。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。6.2LED的特点及应用一、特点1、LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2、LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也能视认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。二、应用1、指示灯2、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3、平面显示器LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。4、光源LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。5、光电开关、报警、遥控、耦合6.4光电耦合器件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。1.光电耦合器件的结构6.4.1光电耦合器件的结构与电路符号DIP封装的光电耦合器件3.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，也没有共地。绝缘电阻高达1010－l012Ω，击穿电压高达100－25kV，耦合电容小于1PF。避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。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不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。⑷响应速度快⑹既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。Q点的电流传输比为βQ=ICQ/IFQ×100%（6-19）在传送小信号时，用所选工作点Q处的交流电流传输比β来表示。2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β’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，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中RL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。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