发光和光电耦合器

1、关于发光与光电耦合器1第一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月2l 光具有波粒二象性 原子内有若干电子围绕原子核不断运动；运动有多种 可能状态；不同运动状态的电子具有不同能量；当它 们的运动受到干扰时就可能发射出电磁波。 光的本质及产生假设E0 、 E1为电子的两个运动状态，E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量从E1变到E0，此时发射光子的频率为：h为普朗克常数第二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月3光源 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。发光常分为由

2、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。第三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月4 l 任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。 l 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。 l 自然界中的任何物体都是热辐射体。 温度低的物体发红外辐射，500左右时物体的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在1500时的温度辐射体开始发白光。应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据。热辐射（温度辐射）-连续光谱第四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6

3、月5 激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、光致发光、化学发光等。1 电致发光 物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。 例如： 发光二极管所产生的光就是电致发光。 激发辐射的产生方法 第五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月6 2光致发光 物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。 例如： l荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；l钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称

4、为共振辐射)；l短波长的紫外光照射到杂质(油污)上发出波长较长的可见荧光。 光致发光原理 当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸收、动量传递等)，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。第六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月7 3 化学发光 由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。 例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。 实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。总结：温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。光谱为连续谱。激发辐射是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连

5、续光谱。 第七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月8按照辐射来源不同，光源分为：自然光源与人工光源。按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源。 按照发光机理，光源又可分成：热辐射光源，气体发光光源，固体发光光源和激光器四种。光源的分类第八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月9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(xian)灯、金属卤化物灯氘(dao)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、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。由于物体

6、在特定环境下受外界能量激发而产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷光源。冷光源按激发方式分可分为光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。第九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月106.1 发光二极管的基本工作原理与特性1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。 1.它体积小，重量轻，便于集成；2.工作电压低，耗电少，驱动简便，容易用计算机控制；3.它既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管；4. 发

7、光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。 第十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月11 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。 6.1.1 发光二极管的发光机理第十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月12由某原因激励到高能级的粒子，没有外刺激的情况下，自己跃迁到低能级，发出光的现象自发辐射E1E2h =E2-E1特征频率(波长),相位,偏振,传播方向是随机的t激励作用原子模型第十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月13 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N

8、区很多自由电子，P区有很多空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能自然复合。1. PN结注入发光内电场空间电荷区PN多子空穴多子电子第十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月14 当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散，于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p区。复合过程是电子从高能级跌落到低能级过程，这属于自发辐射，是非相干光。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强弱与电流有关 内电场空间电荷区PN多子空穴多子电子第十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月15电子

9、和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。第十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月16 电子和空穴复合时放出能量的大小，

10、即光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短，即例如：GaAs材料的禁带宽度Eg=1.43eV, 则光辐射波长为： 第十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月17 半导体内还因为存在微量杂质而发生导带杂质能级、杂质能级与价带，以及杂质能级之间的跃迁，这些跃迁的距离小于导带到价带的禁带宽度，并在禁带宽度附近的能级区域。这样造成了发光二极管发射出来的谱线具有一定的宽度。由此可见，发光二极管发出的波长和谱带宽度主要取决于发光二极管的半导体材料及其掺杂材料。 在LED中，向各个方向发出的光是自发发射的。第十七张，PPT共一百三十二页

11、，创作于2022年6月18光输出P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs反型异质结同型异质结 图中P-GaAs（砷化镓）是复合区（有源区），它和相邻的P-AlxGa1-xAs（砷化镓掺铝）层构成同型异质结，而和N-AlyGa1-yAs构成反型异质结。这两个异质结起限制载流子（电子和空穴）作用，是载流子有效的集中在P-GaAs区内复合发光，故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。 同时，将复合区夹在低折射率的两种半导体材料之间，起到限制光子的作用。(2) 双异质结注入发光 第十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月19 按光输出的位置不同，发光二极管

12、可分为面发射型和边发射型 2. 基本结构 (1) 面发光二极管 有源区 圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔 图所示为波长0.80.9m的双异质结面发光型LED的结构。有源发光区是圆形平面，直径约为50m。厚度小于2.5m。 一段光纤(尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120。第十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月20(2) 边发光二极管 图6-4所示为波长1.3m的双异质结边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N

13、型AIGaAs有源层，及其两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。 为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为5070m，长度为100150m。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2535，垂直方向为120。 第二十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月213. LED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。它直接决定着发光二极管的发光颜

14、色，并影响它的发光效率。发射光谱由材料的种类、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。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长m和发光强度的半宽度 。峰值波长由材料的禁带宽度决定： mhc/ Eg 对大多数半导体材料由于折射率大，在发射光逸出半导体之前，在样品内已经经过了多次反射，因为短波长比长波长更容易被吸收，所以峰值波长对应的光子能量比禁带宽度对应的光子能量小些第二十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月22图6-5给出了GaAs0.6Po.4 和GaP的发射光谱。当GaAs1xPx中的x值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线半宽度大致为203

15、0nm。GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。 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0.20.3nm/的比例向长波方向移动。 第二十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月23 LED的发光效率：发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位lm/W；也有把发光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎/安）。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: 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,r是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有r

16、nr，才能获得有效的光子发射。 第二十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月24 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34）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。提高外部量子效率的措施：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。 外部量子效率定义单位时间发射到外部的光子数单位时间内注入到器件的电子-空穴对数第二十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月25 发光二极管的时间短于1s，比人眼的时间响应要快得多，但用

17、作光信号传递时，响应时间又显得太长。 如图，通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。 (2)时间响应特性与温度特性第二十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月26(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 (6-3) 式中，是载流子辐射复合寿命r和非辐射复合寿命nr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。第二十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月27(4) 最大工作电流 若LE

18、D的最大功耗为Pmax，则其最大的电流为 (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. 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。 第二十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月28(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

19、示出欧姆导通特性。这时，正向电流与电压的关系为 iioexp(U/mkT) (6-5) 式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流iE1)的原子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。第五十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月57 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减

20、， 这种物质称为吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。 导带 价带 导带 价带正常分布反转分布第五十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月58问题: 怎样实现粒子数反转？用外界作去激发处在低能级的原子，使原子处在高能级上，实现粒子数反转分布。这种用来激发低能级原子向高能级跃迁的作用称泵浦。泵浦方法：固体激光器：光谱适当地强光灯；气体激光器：气体电离；半导体激光器：注入载流子。第五十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月593

21、. 谐振腔激励能源全反射镜部分反射镜激光光学谐振腔的作用： 1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）； 2.增强光放大作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的单色性（选频）。第五十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月606.3 半导体激光器6.3.1半导体激光器（Laser Diode）的发光原理半导体激光器也称为激光二极管(LD)，是一种光学振荡器。谐振腔：半导体介质的自然解理面 构成平行平面腔 泵浦源：通常采用电压很低的直流电源激光工作物质：直接带隙半导体材料-砷化稼(GaAs)、 砷化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷 (InPxAs)等等 第六十张，PPT共

22、一百三十二页，创作于2022年6月61光增益ECEV1. 半导体激光器发光机理（1）激光介质的增益系数g第六十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月62 若入射光强为I0，在激光介质内传播至z处的光强为I，传播至z+dz处的光强为I+dI，则我们定义激光介质的增益系数g为：g=dI/(IdZ) 光穿过厚度为dz介质的情况因此激光介质的增益系数g就是光通过单位长度激光介质后光强的相对增长率。第六十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月63（2）激光介质的损耗 实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。因此激光介质的损耗系数: 就是光通过单位长度激光介质后光强相对衰减率。只有当增益

23、大于或者等于损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。a. 介质的不均匀性造成光线的折射或散射，使得光线偏离轴线方向飞出腔外。气体激光器中这类损耗较小，固体激光器中这类损耗较大。b. 介质中存在某些能级差正好与激光频率对应，引起光子吸收。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。第六十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月64（3）如果粒子数不随传播距离z而变化 ，则增益系数g是一个常数，并称为小信号增益系数。则 I=I0egz可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长问题：光在介质中的放大一直持续下去？不会。因为每经过一次受

24、激跃迁，粒子数反转程度都要降低，当增益不再超过损耗时，放大就停止。第六十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月65 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜(解理面）按特定的方式组合而成。作用：提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。谐振腔在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强 。光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产生激光振荡。第六十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月66增益损耗增益损耗增益=损耗增益和损耗第六十六张，PPT共一百三十二

25、页，创作于2022年6月67LD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价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工作。第六十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月682. 激光器工作模式 在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变以平面平行腔为例:设M1点处光电场为：在长度为L，功率增益系数为g, 光腔往返一次后，为：由介质增益导致振幅变化为：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：R1和R2为端面反

26、射率，int为腔内总损耗率，为平面波的波数第六十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月69在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变有:令两边振幅和相位分别相等，则：振幅条件：（m为整数）相位条件：第六十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月70激光器稳定工作的相位条件：m为整数2kL=2m 波数k=2nv/cL为光腔长度n为增益介质折射率激光器振荡频率vm=mc/2nLc/(2nL)满足相位条件的纵模分布这些频率对应于激光器的纵向模式，和光腔长度有关第七十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月71 显然产生激光要满足阈值条件和相位条件。激光器稳定工作的振幅条件：

27、 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益，理论推出在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为。 式中，g为阈值增益系数，int为谐振腔内激活物质的损 耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2 0、EG 0EGEA+_R当可控硅阳极加正向电压EA时 ，一旦有足够的门极电流IG流入时，就形成强烈的正反馈，即：IB2IC2 (=2IB2) IB1IC1( 1 IB1) 晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。第一百二十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月121可控硅的特性：可控硅象二极管一样，具有单向导电性。 电流只能从阳极流向阴极。当阳极

28、与阴极之间加上反向偏压时，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，可控硅处于反向阻挡状态。与二极管不同的是，可控硅具有正向导通的可控特性 当阳极加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管不具有的。要使可控硅正向导通除了阳极加上正向电压外，还必须同时在门极和阴极之间加上一定的正向门极电压UG，有足够的门极电流IG流入。门极对元件能否正向导通起控制作用。当可控硅加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使可控硅导通的过程称为触发。第一百二十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月122可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。因此在门

29、极只要加正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件可使可控硅导通，但无法使其关断。晶闸管关断的条件：可降低阳极电源或增大负载电阻，使流过它的阳极电流Ia减小，当电流Ia减小到一定值时（约几十毫安，称为维持电流IH），正反馈效应不能维持，电流会突然降到零。将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。第一百二十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月123U2UgUdttt0t1t2t3t4t5KU2IaUaUgUdRdEg第一百二十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月124含可控硅的光电耦合应用电路-隔离作用如图用逻辑电路的信号来触发可控硅SCR，可控硅的负载为电

30、感性的开关电路，采用光电耦合器后，负载所产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。第一百二十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月125含可控硅的光电耦合器件在检测装置中的应用R2J+EcJSCR+Ec报警装置 图为报警装置的原理图。发光器件发出的光照射在光敏三极管上，三极管饱和导通，从而使可控硅SCR处于截止状态。在有物体通过光路时将会折断光线，从而使光敏三极管截止，可控硅SCR被触发导通，继电器J吸合，接通音响电路，发出报警信号。然后可以按下复位按钮AN便可解除报警。第一百二十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月1262. 双向可控硅特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。符号