光电技术第4章发光和光耦器件课件.pptx

1、 第四章 发光器件与光耦器件 “发光发光”包括可见、红外、紫外等不可见波段包括包括可见、红外、紫外等不可见波段包括热辐射发光和激发辐射发光。热辐射发光和激发辐射发光。激发辐射的光源常称为激发辐射的光源常称为“冷光源冷光源”按激发方式分又分为光致发光、化学发光、摩擦按激发方式分又分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等发光、阴极射线致发光、电致发光等 电致发光又有结型（注入式）、粉末、薄膜电致电致发光又有结型（注入式）、粉末、薄膜电致发光。发光。本章主要介绍：本章主要介绍：q注入式发光器件注入式发光器件LEDq半导体激光器件半导体激光器件q光电耦合器件光电耦合器件4-1 半导

2、体发光二极管（半导体发光二极管（LED）19071907年首次发现半导体二极管在正向偏置下发光。年首次发现半导体二极管在正向偏置下发光。2020世纪世纪7070年代末：数码显示器及图像显示器。年代末：数码显示器及图像显示器。最近十几年：发光二极管（最近十几年：发光二极管（LEDLED）发光效率和发光光）发光效率和发光光谱都有提高。谱都有提高。优点：优点：q体积小重量轻便于集成体积小重量轻便于集成q电压低耗电小驱动简单，易于计算机控制电压低耗电小驱动简单，易于计算机控制q又单色性好的单色发光二极管，又有白光的发光又单色性好的单色发光二极管，又有白光的发光二极管。二极管。q亮度高、效率高亮度高、效

3、率高1 1、发光二极管的发光机理、发光二极管的发光机理 LED是一种注入电致发光器件。由是一种注入电致发光器件。由P型和型和N型型半导体组合而成。发光机理可分为半导体组合而成。发光机理可分为PN结注入发光结注入发光与异质结注入发光。与异质结注入发光。（1）PN结注入发光结注入发光 注入发光的能带结构 PN结处于平衡时，存在一定的势垒区。注入发光结处于平衡时，存在一定的势垒区。注入发光的能带结构如图所示。当加正偏压时，的能带结构如图所示。当加正偏压时，PN结区势垒结区势垒降低，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，并主要发生在发光，并主要发生

4、在P区。区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相对运动，即电子由与空穴做相对运动，即电子由N区向区向P区运动，而空区运动，而空穴向穴向N区运动。因为电子的迁移率区运动。因为电子的迁移率N比空穴的迁移率比空穴的迁移率 p高高20倍左右，电子很快从倍左右，电子很快从N区迁移到区迁移到P区；区；N区的区的费米能级因简并而处于很高能级的位置费米能级因简并而处于很高能级的位置;而而P区的受主区的受主能级很深且形成杂质能带，因而减小了有效带隙的宽能级很深且形成杂质能带，因而减小了有效带隙的宽度。度。PN结注入发光的发光器件：结注入发光的发光器件：q

5、红外发光的红外发光的GaAs发光二极管发光二极管q发红光的发红光的GaP掺掺Zn-O发光二极管发光二极管q发绿光的发绿光的GaP掺掺Zn发光二极管发光二极管q发黄光的发黄光的GaP掺掺Zn-N发光二极管发光二极管q白光发光二极管白光发光二极管q其他单色发光二极管其他单色发光二极管等等（2 2）异质结注入发光）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。图为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图示为理想的异质结能带图。示为理想的异质结能带图。异质结注入发光 由于由于P区和区和N区的禁带宽度不相等，当加上正向电区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时两区的价带几乎相同，空穴就不断地向压时

6、两区的价带几乎相同，空穴就不断地向N区扩散，区扩散，这就保证了空穴向发光区的高注入效率。这就保证了空穴向发光区的高注入效率。对对N区的电子，势垒仍然较高，不能注入区的电子，势垒仍然较高，不能注入P区。这区。这样，禁带宽的样，禁带宽的P区成为注入源，禁带窄的区成为注入源，禁带窄的N区成为载流区成为载流子复合发光的发光区。子复合发光的发光区。例如，禁带宽例如，禁带宽EG21.32eV的的P-GaAs与禁带宽与禁带宽EGl0.7eV的的N-GaSb组成异质结后，组成异质结后，N-GaAs的空穴注入的空穴注入N-GaAs区复合发光。由于区复合发光。由于N区研发射的光子能量区研发射的光子能量h比比EG2

7、要小得多，它要小得多，它 进入进入P区不会引起本征吸收而直接透区不会引起本征吸收而直接透射出去。因此，异质结发光二极管中禁带宽度大的区射出去。因此，异质结发光二极管中禁带宽度大的区域（注入区）又兼作光的透射窗。域（注入区）又兼作光的透射窗。2 2、基本结构、基本结构（1 1）面发光二极管）面发光二极管波长为波长为 0.80.9m的双异质结的双异质结GaAs/AlGaAs 面发光型面发光型LED的结构。的结构。面发光型面发光型LED结构结构（2 2）边发光二极管）边发光二极管边发光型LED的结构q 面发光面发光LED面发光区光束的水平垂直发散角都面发光区光束的水平垂直发散角都约为约为120q 边

8、发光边发光LED的方向性要好些，其发散角水平方的方向性要好些，其发散角水平方向为向为25 35,垂直垂直 方向发散角约为方向发散角约为1203 3、LEDLED的特性参数的特性参数（1 1）发光光谱和发光效率）发光光谱和发光效率 发光光谱由材料的种类、发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定。性质及发光中心的结构决定。/hcE发光效率由内部量子效发光效率由内部量子效率和外部量子效率决定。率和外部量子效率决定。GaAs 0.6P0.4 与与GaP的发射光谱的发射光谱 几种典型发光二极管的发光效率与发光波长几种典型发光二极管的发光效率与发光波长（2 2）时间特性与温度特性）时间特性与温度特性

9、qLED的时间响应为的时间响应为ns量级。量级。q通常发光二极管的外部发光效率随温度上升而下降。通常发光二极管的外部发光效率随温度上升而下降。GaAsP及及GaP（红、绿）（红、绿）LED的相对光亮度与温度的关系曲线的相对光亮度与温度的关系曲线（3 3）发光亮度与电流的关系）发光亮度与电流的关系exp()dnrLiidn是电子的扩散电流是电子的扩散电流;是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命r和非和非辐射复合寿命辐射复合寿命nr的函数。的函数。发光亮度与电流密度的关系曲线发光亮度与电流密度的关系曲线（4 4）最大工作电流）最大工作电流 在低工作电流下，在低工作电流下，LED发光效率随电路的增

10、大而发光效率随电路的增大而明显提高，但电流增大到一定值时，发光效率不再提明显提高，但电流增大到一定值时，发光效率不再提高，相反发光效率会随工作电流的增大而降低。高，相反发光效率会随工作电流的增大而降低。GaP的发光效率的发光效率in与电流密度与电流密度J、温度、温度T间的关系间的关系若发光二极管的最大容许功耗为若发光二极管的最大容许功耗为Pmax，则发光二极则发光二极管的最大容许工作电流为管的最大容许工作电流为2maxmax()()42fdfffdddI rUUI rr PIr式中式中rd为发光二极管的动态电阻；为发光二极管的动态电阻；If、Uf均为发光均为发光二极管在较小工作电流时的电流和正

11、向压降。二极管在较小工作电流时的电流和正向压降。（5 5）伏安特性）伏安特性q电压小于开启点电压小于开启点电压值时无电流；电压值时无电流；q电压一超过开启电压一超过开启点就显示出欧姆导点就显示出欧姆导通性通性;q反向击穿电压在反向击穿电压在5V以上（有些已以上（有些已超过超过200V）。）。发光二极管的伏安特性曲线（6 6）寿命）寿命一般一般106小时以上，可达小时以上，可达109小时小时（7 7）响应时间）响应时间在快速显示时器件对信息反应速度的物理量。指器在快速显示时器件对信息反应速度的物理量。指器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。响应时间随电

12、流增大而近似呈指数衰减。响应时间随电流增大而近似呈指数衰减。一般一般GaAs1-xPx仅为几个仅为几个ns，GaP约为约为100ns。4 4、驱动电路、驱动电路一种典型的LED驱动电路5 5、发光二极管的应用、发光二极管的应用（1 1）数字、文字及图像显示）数字、文字及图像显示7段数码管段数码管16段数码管段数码管文字显示器的原理电路文字显示器的原理电路57点阵器件的显示原理点阵器件的显示原理（2 2）指示、照明）指示、照明 例如：仪器指示灯，刻度尺、已有将红、橙绿例如：仪器指示灯，刻度尺、已有将红、橙绿三个管芯组装在一起的多色单体发光二极管三个管芯组装在一起的多色单体发光二极管（3 3）光源

13、）光源例如：光纤通信、光纤传感系统中的光源例如：光纤通信、光纤传感系统中的光源4-2 半导体激光器也称激光二极管（也称激光二极管（laser diode,LD)一、一、LDLD的发光原理的发光原理与与气气体体、固体激光器、固体激光器比较比较q相同点相同点：首先要实现工作介质的粒子数反转，此首先要实现工作介质的粒子数反转，此外要有光学谐振腔，并且满足阈值条件外要有光学谐振腔，并且满足阈值条件；q不同点不同点：辐射跃迁不是发生在分离的能级之间，辐射跃迁不是发生在分离的能级之间，而是发生在禁带隔开的导带和价带之间，实现受激而是发生在禁带隔开的导带和价带之间，实现受激辐射很大程辐射很大程度度上与半导体

14、的上与半导体的PNPN结有关结有关。1 1、受激辐射、受激辐射原子的自发辐射、受激辐射与受激吸收示意图原子的自发辐射、受激辐射与受激吸收示意图21hEE2 2、粒子数反转、粒子数反转必须从外部给工作物质提供能量（如光激励或正向必须从外部给工作物质提供能量（如光激励或正向PN结注入结注入等）。等）。3 3、谐振腔、谐振腔法布里珀罗光学谐振腔法布里珀罗光学谐振腔二、半导体激光器的结构二、半导体激光器的结构以以PN结型二极管注入式激光器为例结型二极管注入式激光器为例 结构与原理结构与原理 GaAs LD结型结型LD结构（法布里珀罗光学谐振腔）结构（法布里珀罗光学谐振腔）半导体激光器注入电流和输出功率

15、的关系三、主要特性三、主要特性1 1、注入电流和输出功率的关系、注入电流和输出功率的关系 为了控制输出功率常采用功率自动控制电路为了控制输出功率常采用功率自动控制电路（APCAPC）,把激光器中监测光功率的光电二极管的输把激光器中监测光功率的光电二极管的输出和定值信号比较，以其差值控制半导体激光器的出和定值信号比较，以其差值控制半导体激光器的电源，保持输出功率的稳定。注入电流时应避免电电源，保持输出功率的稳定。注入电流时应避免电流的突变，激光电源应有防止浪涌电流的措施，以流的突变，激光电源应有防止浪涌电流的措施，以免影响激光器寿命或造成损坏。免影响激光器寿命或造成损坏。LD驱动电路1LD驱动电

16、路驱动电路2使用可见光波段的LD注意眼睛防护 2 2、半导体激光的光谱线宽、半导体激光的光谱线宽 半导体激光的辐射跃迁发生在大量能态组成半导体激光的辐射跃迁发生在大量能态组成的能带间，其自发辐射因子比气体激光器大得多，的能带间，其自发辐射因子比气体激光器大得多，因而其增益普宽也比气体激光器大得多。例如因而其增益普宽也比气体激光器大得多。例如He-Ne激光一般为激光一般为10-4nm量级，而半导体激光器约在量级，而半导体激光器约在0.02nm0.2nm之间，提高输出功率对改善线宽有之间，提高输出功率对改善线宽有益，但会影响器件寿命，新型半导体激光器的开益，但会影响器件寿命，新型半导体激光器的开发

17、将会使线宽有很大的改进。发将会使线宽有很大的改进。3、半导体激光的纵模 谐振腔的选频作用可得到一系列纵模谐振腔的选频作用可得到一系列纵模式中：式中：nr为有源层的折射率，为有源层的折射率，q为正整数。为正整数。双异质结双异质结GaAsGaAs半导体激光器的腔长半导体激光器的腔长L L只有只有250250m m，模间，模间隔很大，但对于上述非常宽的光谱线宽，还是难于实现单纵隔很大，但对于上述非常宽的光谱线宽，还是难于实现单纵模输出。模输出。最有效的是以耦合理论为基础的分布反馈式半导体激光最有效的是以耦合理论为基础的分布反馈式半导体激光器（器（DFBDFB）和以布拉格反射原理为基础的分布反射式半导

18、体）和以布拉格反射原理为基础的分布反射式半导体激光器（激光器（DFBDFB），加强选频作用，并使相邻模抑制，实现单），加强选频作用，并使相邻模抑制，实现单纵模输出，这将使干涉仪有良好的相干长度。纵模输出，这将使干涉仪有良好的相干长度。qLnrq/2 温度不变时输出功率与波长关系 4 4、半导体激光器的远场特性及偏振态、半导体激光器的远场特性及偏振态 半导体激光器的光场分近场和远场，近场为解理面上半导体激光器的光场分近场和远场，近场为解理面上的横向光场分布，与激光的横模有关。远场特性和激光束的横向光场分布，与激光的横模有关。远场特性和激光束的发散角有关，通常半导体激光有远大于的发散角有关，通常半

19、导体激光有远大于He-NeHe-Ne激光的发散激光的发散角，且两个方向不同。角，且两个方向不同。垂直于有源层方面的发散角垂直于有源层方面的发散角为为3030 5050，用激光波长，用激光波长和有源层厚度和有源层厚度d d表示表示平行于有源层方向的发散角平行于有源层方向的发散角为为1010 2020，可表示为，可表示为W W为有源层宽度。为有源层宽度。（已经制备了横截面对称的折射率波导型有源层的半导体（已经制备了横截面对称的折射率波导型有源层的半导体激光器，使两个方向的发散角均限制在激光器，使两个方向的发散角均限制在1010）。）。d2.1W/半导体激光器的远场特性 半导体激光是线偏振光，振动方

20、向平行有源层方半导体激光是线偏振光，振动方向平行有源层方向，即椭圆光斑短轴方向，可以构成偏振干涉仪。向，即椭圆光斑短轴方向，可以构成偏振干涉仪。5 5、半导体激光的调制特性。、半导体激光的调制特性。可以改变注入半导体激光器的电流实现直接调制。可以改变注入半导体激光器的电流实现直接调制。虽然注入电流变化，截流子数的变化到光子数量的变虽然注入电流变化，截流子数的变化到光子数量的变化也有一些延时，存在张驰振荡过程，但还是可以实化也有一些延时，存在张驰振荡过程，但还是可以实现功率的高频调制。此外注入电流的变化产生有源层现功率的高频调制。此外注入电流的变化产生有源层温度温度T Ti i的变化，其折射率也

21、产生变化，相当于谐振腔的变化，其折射率也产生变化，相当于谐振腔长变化，导致波长变化。同时长变化，导致波长变化。同时T Ti i的变化还引起禁带宽的变化还引起禁带宽EgEg的变化。这样改变注入电流导致激光频率改变，的变化。这样改变注入电流导致激光频率改变，称为电流调频。称为电流调频。半导体激光器电流直接调制6 6、温度对半导体激光器的影响、温度对半导体激光器的影响 半导体激光器对温度变化特别敏感，如前所半导体激光器对温度变化特别敏感，如前所述，温度可以使阈值电流述，温度可以使阈值电流I Ithth、输出功率和激光波、输出功率和激光波长发生变化。最常用的方法是用半导体激光器内长发生变化。最常用的方

22、法是用半导体激光器内监测输出功率的光电二极管，通过监测输出功率监测输出功率的光电二极管，通过监测输出功率来监测温度，然后由半导体致冷器件控制半导体来监测温度，然后由半导体致冷器件控制半导体激光器的温度。如果激光器内没有监测光电二级激光器的温度。如果激光器内没有监测光电二级管，可从输出光中分出一部分进行温度监测。管，可从输出光中分出一部分进行温度监测。温度对半导体激光器输出功率的影响温度对输出波长的影响 4-3 光电耦合器件光电耦合器件一、光电耦合器件的结构与电路符号一、光电耦合器件的结构与电路符号1 1、光电耦合器件的结构、光电耦合器件的结构光电耦合器件的基本结构光电耦合器件的基本结构2 2、

23、光电耦合器件电路符号、光电耦合器件电路符号光电耦合器件电路符号几种不同封装的光电耦合器件的外形几种不同封装的光电耦合器件的外形2、光电耦合器的特点（1 1）具有电隔离的功能）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，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。绝缘电阻高达缘电阻高达101010 10 10101212，击穿电压可高达击穿电压可高达10kV10kV25kV25kV，耦合电容小于，耦合电容小于lpFlpF。（2 2）信号传输方式）信号传输方式 信号传输是单向性的，脉冲、直流信号都可以信

24、号传输是单向性的，脉冲、直流信号都可以传输。传输。（3 3）具有抗干扰和噪声的能力）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。和杂光影响。在代替继电器使用时，能克服继电器在断电时在代替继电器使用时，能克服继电器在断电时反向电动势的泄放干扰，以及在大震动、大冲击下反向电动势的泄放干扰，以及在大震动、大冲击下触点抖动等不可靠因素。触点抖动等不可靠因素。代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频到几兆赫

25、的信息，且失真很小。到几兆赫的信息，且失真很小。（4 4）响应速度快）响应速度快 一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可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和传输的信号频率在直流和10MHz10MHz之间。之间。（5 5）实用性强）实用性强 它具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，它具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电小，成本低，工作抗震，密封防水，性能稳定，耗电小，成本低，工作温度在温度在-55100C之间。之间。（6 6）既具有耦合特性又具有隔离特性）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，它

26、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。圆满地完成电平匹配、电平转移等功能。光电耦合器的输入端的发光器件是电流驱动器件，光电耦合器的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗于扰能力很强，在长线传输通过光与输出端耦合，抗于扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中的信燥比。的信燥比。例如：在计算机主体运算部分与输入例如：在计算机主体运算部分与输入/输出之间，用输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大增强计算机光电耦合器件作为接口部件，将会大大增强计算机的可靠性。的可靠性

27、。光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件使用时，又具有晶体管开关不可比拟的优点。例如，使用时，又具有晶体管开关不可比拟的优点。例如，在稳压电源中，它作为过电流自动保护器件使用时，在稳压电源中，它作为过电流自动保护器件使用时，可以使保护电路既简单又可靠等。可以使保护电路既简单又可靠等。3、光电耦合器件的特性参数、光电耦合器件的特性参数（1 1）电流传输比）电流传输比 在直流工作状态下，将光电耦合器件的集电极在直流工作状态下，将光电耦合器件的集电极电电Ic与发光二极管的注入电流与发光二极管的注入电流IF之比，定义为光电耦之比，定义为光电耦合器件的电

28、流传输比，用合器件的电流传输比，用表示。表示。光电耦合器的输出特性曲线光电耦合器的输出特性曲线在工作点在工作点Q100%CQQFQII交流电流传输比交流电流传输比100%CFII-IF的关系、的关系、-T的关系的关系-IF的关系曲线图的关系曲线图 与温度的关系曲线图与温度的关系曲线图（2 2）输入输出间的寄生电容）输入输出间的寄生电容 一般几一般几pF，中频时影响不大，高频时要重视。，中频时影响不大，高频时要重视。（3 3）最高工作频率）最高工作频率f fm m光耦频率特性测量电路光耦频率特性测量电路 光耦器件的频率特性曲线光耦器件的频率特性曲线相对幅值降至相对幅值降至 0.7070.707时

29、的频率。时的频率。（4 4）脉冲上升时间）脉冲上升时间t tr r和下降时间和下降时间t tf ffm、tr和和tf 都是衡量光电耦合器件的动态特性参数。都是衡量光电耦合器件的动态特性参数。q当传输正弦信号时用当传输正弦信号时用fm较方便；较方便；q当传输脉冲信号时，用当传输脉冲信号时，用 tr和和tf 较直观。较直观。光电耦合器件的脉冲响应特性曲线光电耦合器件的脉冲响应特性曲线（5 5）输入与输出间隔离电压）输入与输出间隔离电压BVBVCFOCFO高压应用时应考虑。例如高压应用时应考虑。例如BVBVCFOCFO500V 500V，特殊的可制，特殊的可制造出几千伏上万伏造出几千伏上万伏BVBV

30、CFOCFO的光耦。的光耦。（6 6）输入与输出间的绝缘电阻）输入与输出间的绝缘电阻R RFCFC一般在一般在10109 910101313之间。之间。4 4、光电耦合器件的应用举例、光电耦合器件的应用举例（1 1）电平转换）电平转换用光电耦合器实现的电平转换用光电耦合器实现的电平转换（2 2）逻辑门电路）逻辑门电路光电耦合器件构成的与门电路光电耦合器件构成的与门电路012iiUUU（3 3）隔离）隔离用光电耦合器件实现的隔离电路用光电耦合器件实现的隔离电路（4 4）可控硅控制电路中的应用）可控硅控制电路中的应用光耦可控硅光耦可控硅 光耦双向可控硅光耦双向可控硅光电耦合双向可控硅大功率负载控制电路光电耦合双向可控硅大功率负载控制电路