光电检测技术6.ppt

1、2020/7/11,1,发光： 物体向外辐射出光子的现象 激发方法 光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线发光、放射线发光、电致发光 电致发光 结型（注入式）、粉末、薄膜电致发光 注入式半导体发光器件（LED）、激光器、光电耦合器,第四章 发光与耦合器件,2,4.1.1 LED结构、原理 注入式电致发光器件 由PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座上,封装透明环氧树脂 PN结靠近P区电子与空穴复合而发光 只能加正向电压 LED材料 直接带材料：GaAs、GaN、ZnSe 间接带材料：GaP 混晶材料：GaAs1-xPx 掺杂不同，发光颜色不同 辐射光波长决定于材料的禁带宽度Eg LED优点 体积小、寿

2、命长、功耗低、响应快,4.1 发光二极管,3,LED的效率 功率效率 将输入的电功率转换成辐射的光功率的效率 光学效率 外量子效率与内量子效率之比 量子效率:注入载流子复合而产生光量子的效率 内量子效率:复合生成的光子数与注入电子空穴对数之比 外量子效率:射出的光子数与注入电子空穴对数之比 流明效率(发光效率) 消耗单位电功率所得到的光通量 照明效率:辐射功率转换成光通量的效率,4.1 发光二极管,4.1.2 LED的特性参数,4,发光光谱 发光的相对强度随波长变化的分布曲线 由材料类型、性质及发光中心结构决定 峰值波长由材料的禁带宽度决定 谱线宽度 （半强度宽度）较窄 温度升高，光子能量降低

3、，光谱向长波向移动,4.1 发光二极管,4.1.2 LED的特性参数,5,伏安特性 与普通二极管相同 i=i0exp(eV/mkT) 发光亮度B 单位面积上的发光强度 LED发光亮度与电流密度成正比 ,适于脉冲下使用,4.1 发光二极管,4.1.2 LED的特性参数,6,寿命 亮度降低到原有亮度的一半时所经历的时间 寿命较长,电流密度大时,寿命变短 响应时间 器件启亮与熄灭的时间延迟 上升时间随电流增加呈指数衰减 响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒 温度特性 结温升高到一定程度后,4.1 发光二极管,4.1.2 LED的特性参数,7,数字、文字及图像显示 七段式数码管 阵列式文字显示 大屏

4、幕显示 指示、照明 指示灯 多色灯 光源 光纤通信、光纤传感 光电开关、报警、遥控、光耦 使用要点： 开启电压、温度特性、方向特性,4.1 发光二极管,4.1.3 LED的应用,8,激光特点 方向性强 单色性好 相干性好 亮度高 激光类型 固体（红宝石）、液体（有机染料）、气体（He-Ne、CO2）、半导体 应用广泛,4.2 激光器,9,一、受激辐射 吸收 自发辐射 受激辐射 二、分布反转(粒子数反转) 有能量输入,使激发态载流子多于基态载流子,即分布反转 强光灯照射、气体电离、注入载流子,4.2 激光器,4.2.1 激光的产生,10,三、共振腔 共振腔维持振荡:增益放大 产生振荡方法：在激光

5、物质的两侧放置相互平行的反射面，即具有共振腔 产生振荡条件：共振腔长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍，即：L=m/2n :波长, n:介质折射率, m:正整数 总之,产生激光须满足3个要求 受激辐射 粒子分布反转 共振腔提供正反馈及增益,4.2 激光器,4.2.1 激光的产生,11,发光物质：氖气 工作物质：氦氖混合气 分布反转方法：高压气体电离 3种波谱：0.6328m、1.15m、3.39m 绿光：0.543m,0.594m,0.605m, 0.612m 氦氖激光器的优点: 单色性好 方向性强 结构简单、紧凑 造价低廉 结构：全外腔、全内腔、半内腔,4.2 激光器,4.2.2 氦氖激光器,

6、12,外腔式氦氖激光器,内腔式氦氖激光器,13,PN结型二极管注入式激光器 1.结构与原理 激发装置、工作物质、共振腔 法布里-泊罗共振腔 工作物质:GaAs,InP,PbS,InGaAsP 结区为重掺杂半导体 PN结加正向电压时，结区势垒降低,电子和空穴可越过势垒进行复合 当外加电压足够大,使qVEg时，导带相对于价带的粒子数反转，加上端面反馈即产生激光,4.2 激光器,4.2.3 半导体激光器,两种方式:电子束激励和注入式激励,14,2. 主要特性 1)阈值条件 阈值:抵偿吸收与损耗的光子产生率,用电流密度ith表示 影响因素:激光器长度、温度、结区表面的透过损耗、吸收损耗、表面反射率、半

7、导体基质材料 高温下阈值大 用脉冲电流激励 2)频谱分布 由半导体材料决定 低于阈值时谱线宽，高于阈值时某一特殊频率光强骤增 波长由共振腔长度决定 温度对激光器频谱影响大,4.2 激光器,4.2.3 半导体激光器,15,3. 异质结激光器 窄禁带材料两侧加宽禁带材料组成异质结 同质结激光器阈值大 异质结阈值电流较小,随温度变化小 单异质结激光器 室温下阈值电流与同质结相近,但随温度变化小 室温下的脉冲振荡 双异质结激光器 室温下的连续振荡 改进方向:降低阈值、提高效率、提高光束相干性和方向性、扩展光谱波段,4.2 激光器,4.2.3 半导体激光器,16,一、光电耦合器件的含义和特点 含义 利用

8、光耦合做成的电信号传输器件 将发光二极管和光敏管密封装在一起形成的一个电-光-电器件 输入输出用光耦合，电性能上完全隔离 具有线性变化关系 特点 电隔离 信号单向传输 抗干扰和噪声能力强 响应速度快 使用方便:体积小,可靠性高,抗震,防水,4.3 光电耦合器件,17,二、光电耦合器件的特性参数 输入特性:LED 输出特性:光敏管特性 传输特性 电流传输比 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，线性应用中使用交流电流(微变)传输比 与三极管的电流放大倍数有本质差别,其电流传输比小于1 0以下时,随T升高而上升,0以下时, 随T升高而下降,4.3 光电耦合器件

9、,18,二、光电耦合器件的特性参数 传输特性 输入-输出间绝缘耐压BVCFO 输入与输出端间的绝缘耐压值,与LED与光敏管之间的距离有关 耐压可达几千到上万伏,4.3 光电耦合器件,19,二、光电耦合器件的特性参数 传输特性 输入-输出间绝缘电阻RFC 输入与输出端间的绝缘电阻, 一般为 反映了光电耦合器件的隔离性能 输入-输出间寄生电容 CFC CFC较大时,会使光电耦合器件的工作频率下降,共模抑制比下降 一般为几皮法,高频时需考虑其影响 最高工作频率fM 输出电压幅值降至0.707时的最高工作频率，随负载电阻变化 脉冲上升tr时间和下降时间tf 输入为矩形脉冲时，输出脉冲波形的上升及下降时

10、间,4.3 光电耦合器件,20,21,二、光电耦合器件的特性参数 抗干扰特性 抗干扰能力强的原因 光耦输入阻抗低，而干扰源内阻很大 干扰源能量很小，难以使光耦发光二极管发光 输入输出用光耦合，并密封在管壳内，不受外界光干扰 光耦寄生电容小，绝缘电阻大，输出干扰难反馈到输入 干扰源 自身、外界射频、电源及地线的窜入、外界电火花及继电器 干扰信号波形特点：尖脉冲、白噪声、高频 噪声电平的估算 光耦可以抑制尖脉冲,4.3 光电耦合器件,22,三、光电耦合器件的应用 优点 体积小、寿命长、无触点、线性传输、隔离、抗干扰强 应用广泛 代替脉冲变压器 代替继电器 用于电平转换 长线传输、计算机输入输出接口 开关器件 电流自动保护器件,4.3 光电耦合器件,23,作业,半导体激光器和发光二极管的时间响应如何？使用时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？ 激光有什么特点？要产生激光必须具备什么条件？激光阈值条件的物理含义是什么？ 氦氖激光器的结构有几种形式？半导