光电技术第11讲.ppt

光电技术 第9讲 发光器件及光电耦合器件 一 概述 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 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 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 r和 rn 其中辐射复合率与1 r成正比 无辐射复合率为1 rn 内部量子效率为 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 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 ex 即 对GaAs这类直接带隙半导体 in可接近100 但 ex很小 如GaP红光发射效率 ex很小 最高为15 发绿光的GaP N 的 ex约为0 7 对发红光的GaAs0 6P0 4 其 ex约为0 4 对发红外光的In0 32Ga0 68P的 ev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 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 把晶体表面加工成半球形 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1 s 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 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度量 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 式中 是载流子辐射复合寿命 r和非辐射复合寿命 rn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 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 图6 8所示为发红光的GaP发光二极管内量子效率 in的相对值与电流密度J及温度T的关系 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 5 伏安特性 LED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 eV mkT 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 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 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 4光电耦合器件 光电耦合器件是发光器件与光接收器件组合的一种器件 它是以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端 也称为光耦合器 他的发送端和接收端是电 磁绝缘的 只有光信息相连 6 4 1光电耦合器件的结构与电路符号 1 光电耦合器件的结构 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 2光电耦合器件的特点 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 l012 击穿电压高达100 25kV 耦合电容小于1PF 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 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 响应速度快 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 实用性强 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 耗电省 成本低 工作温度范围在 55 l00 之间 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 6 4 2光电耦合器件的特性参数 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 传输特性 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 表示 1 电流传输比 2 输入与输出间的寄生电容CFC 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 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 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109 1013 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 光电耦合器件的输入阻抗很低 一般为10 1k 而干扰源的内阻很大 为103 106 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 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 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 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 1013 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 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 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