第6章發光器件與光電耦合器件

通常人們把物體向外發射出可見光的現象稱為發光。但對光電技術領域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發光常分為由物體溫度高于絕對零度而產生物體熱輻射和物體在特定環境下受外界能量激發的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發輻射，激發輻射的光源常被稱為冷光源。按激發的方式可將冷光源分為光致發光、化學發光、摩擦發光、陰極射線致發光、電致發光等。本章主要介紹目前已得到廣泛應用的注入式半導體發光器件及光電耦合器件。

LED的發展歷史1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價45美元，為紅光LED，發光效率0.1lm/w1968年利用半導體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發光效率達到1lm/w,并且能夠發出紅光、橙光和黃光1971年出現GaP材料的綠光LED，發光效率也達到1lm/wLED（LightingEmittingDiode）LED的發展歷史80年代，重大技術突破，開發出AlGaAs材料的LED，發光效率達到10lm/w1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發光效率達到40—50lm/w1990年基于SiC材料的藍光LED出現，發光效率為0.04lm/w90年代中期出現以藍寶石為襯底的GaN藍光LED，到目前仍然為該技術白光LED光譜實驗中測得的熒光燈譜線－－混合光譜6.1發光二極管的基本工作原理與特性

1907年首次發現半導體二極管在正向偏置的情況下發光。70年代末，人們開始用發光二極管作為數碼顯示器和圖像顯示器。進十年來，發光二極管的發光效率及發光光譜都有了很大的提高，用發光二極管作光源有許多優點，例如：體積小、重量輕，便于集成；工作電壓低、耗電小、驅動簡便，便于計算機控制；既有單色性好的單色發光二極管，又有發白光的發光二極管。6.1.1發光二極管的發光機理

發光二極管（即LED）是一種注入電致發光器件，它由P型和N型半導體組合而成。其發光機理常分為PN結注入發光與異質結注入發光兩種。

1、PN結注入發光

PN結處于平衡時，存在一定的勢壘區，其能帶如圖6-1所示。當加正偏壓時，PN結區勢壘降低，從擴散區注入的大量非平衡載流子不斷地復合發光，并主要發生在p區。

2、異質結注入發光

為了提高載流子注入效率，可以采用異質結。圖2-13（a）表示理想的異質結能帶圖。由于p區和n區的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時小區的勢壘降低，兩區的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區擴散。

對n區電子，勢壘仍然較高，不能注入p區。這樣，禁帶寬的p區成為注入源，禁帶窄的n區成為載流子復合發光的發光區（圖2-13（b））。例如，禁帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eV的n-GaSb組成異質結后，p-GaAs的空穴注入n-GaAs區復合發光。由于n區所發射的光子能量hv比EG2

小得多，它進入p區不會引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2基本結構

1、面發光二極管

圖6-3所示為波長0.8～0.9μm的雙異質結GaAs／AIGaAs面發光型LED的結構。它的有源發光區是圓形平面，直徑約為50μm，厚度小于2.5μm。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發光區平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，用以接收有源發光區平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發光區光束的水平、垂直發散角均為120°。2.邊發光二極管

圖6-4所示為波長1.3μm的雙異質結InGaAsP／InP邊發光型LED的結構。它的核心部分是一個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構成以有源層為芯層的光波導，有源層產生的光輻射從其端面射出。為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為50～70μm，長度為100～150μm。邊發光LED的方向性比面發光器件要好，其發散角水平方向為25°～35°，垂直方向為120°。

6.1.3LED的特性參數

1、發光光譜和發光效率

LED的發光光譜指LED發出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發光二極管的發光顏色，并影響它的發光效率。發射光譜的形成由材料的種類、性質以及發光中心的結構決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發光強度的半寬度。對于輻射躍遷所發射的光子，其波長λ與躍遷前后的能量差ΔE之間的關系為λ＝hc／ΔE。復合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。

例如GsAs的峰值波長出現在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4

和GaP的發射光譜。當GaAs1—xPx中的x值不同時，峰值波長在620～680nm之間變化，譜線半寬度大致為20～30nm。GaP發紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。峰值光子的能量還與溫度有關，它隨溫度的增加而減少。在結溫上升時，譜帶波長以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方向移動。

發光二極管發射的光通量與輸入電能之比表示發光效率，單位lm/W；也有人把光強度與注入電流之比稱為發光效率，單位為cd／A（坎/安）。GaAs紅外發光二極管的發光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。

發光效率由內部量子效率與外部量子效率決定。內部量子效率在平衡時，電子-空穴對的激發率等于非平衡載流子的復合率（包括輻射復合和無輻射復合），而復合率又分別決定于載流子壽命τr和τrn，其中輻射復合率與1/τr成正比，無輻射復合率為1/τrn，內部量子效率為

（6-1）

式中，neo為每秒發射出的光子數,ni為每秒注入到器件的電子數,τr是輻射復合的載流子壽命,τrn是無輻射復合的載流子壽命。由式中可以看出，只有τrn＞＞τr，才能獲得有效的光子發射。

必須指出，輻射復合發光的光子并不是全部都能離開晶體向外發射。光子通過半導體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率（折射系統的折射系數約為3～4）產生全反射而返回晶體內部后被吸收，只有一部分發射出去。因此，將單位時間發射到外部的光子數nex除以單位時間內注入到器件的電子-空穴對數nin定義為外部量子效率ηex，即(6-2)

對GaAs這類直接帶隙半導體，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]紅光發射效率ηev很小，最高為15％；發綠光的GaP[N]的ηev約為0.7％；對發紅光的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％；對發紅外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev約為0.1％。

2、時間響應特性與溫度特性

提高外部量子效率的措施有三條：①用比空氣折射率高的透明物質如環氧樹脂（n2=1.55）涂敷在發光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。

發光二極管的時間響應快，短于1μs，比人眼的時間響應要快得多，但用作光信號傳遞時，響應時間又顯得太長。發光二極管的響應時間取決于注入載流子非發光復合的壽命和發光能級上躍遷的幾率。

不同材料制得的LED響應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應時間＜10-9S，GaP為10-7S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統當光線以近法線入射時，反射比和透射比分別為：如普通玻璃，反射比大約為4%透射比大約為70.2%，n2改為樹脂（1.5），透射比則為84.9%通常發光二極管的發光效率均隨溫度上升而下降。圖6-6表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發光二極管的相對光亮度Le,λ,r與溫度t的關系曲線。3、發光亮度與電流的關系

發光二極管的發光亮度L是單位面積發光強度的量度。在輻射發光發生在P區的情況下，發光亮度L與電子擴散電流idn之間的關系為

(6-3)

式中，τ是載流子輻射復合壽命τR和非輻射復合壽命τNR的函數

如圖6-7所示為GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaP(綠色)發光二極管的發光亮度與電流密度的關系曲線。這些LED的亮度與電流密度近似成線性關系，且在很大范圍內不易飽和。4、最大工作電流

在低工作電流下，發光二極管發光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時，發光效率不再增加；相反，發光效率隨工作電流的繼續增加而降低。圖6-8表示發紅光的GaP發光二極管內量子效率ηin的相對值與電流密度J及溫度T間的關系。隨著發光管電流密度的增加，pn結的溫度升高，將導致熱擴散，使發光效率降低。

因此，最大工作電流密度應低于最大發射效率的電流密度值。若發光二極管的最大容許功耗為Pmax，則發光管最大容許的工作電流為（6-4）

式中，rd為發光二極管的動態內阻；If、Uf均為發光二極管在較小工作電流時的電流和正向壓降。5、伏安特性

發光二極管的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特性。這時正向電流與電壓的關系為

i＝ioexp(U/mkT)(6-5)

式中，m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流i<0.1mA時，通過結內深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴散電流占優勢時，m＝1。因而實際測得的m值大小可以標志器件發光特性的好壞。

6、壽命

發光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。7、響應時間

在快速顯示時，標志器件對信息反應速度的物理量叫響應時間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數衰減。它的響應時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅動二極管時，脈沖的間隔和占空因數必須在器件響應時間所許可的范圍內。

6.1.4驅動電路

發光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅動電流。典型的驅動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調節三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調制，則調制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調制。

6.2發光二極管的應用

6.2.1數字、文字及圖像顯示6.2.2指示、照明6.2.3光電開關、報警、遙控、耦合6.2.4光源靜態顯示方式工作特點：缺點是電路中占用I/O口資源多；優點是占用CPU機時少，顯示穩定可靠動態顯示方式工作特點：優點是占用I/O資源少；缺點是需用軟件程序不斷地循環掃描定時刷新，因而用了CPU的大多數機時。藍、綠、白光LED室外大LED全彩色屏幕LED交通信號燈城市建筑裝飾燈光工程花旗銀行大廈白光LED射燈白光LED(1998年發白光的LED開發成功)

固體冷光源，效率高，綠色環保壽命長，可以達到10萬小時（連續10年）低電壓工作是照明領域的又一次革命基于藍光LED，通過熒光粉激發出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光美國國家半導體照明計劃從2000年起國家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈取代每年節電達350億美元2015年形成每年500億美元的半導體照明產業市場日本21世紀照明計劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導體照明燈存在的問題價格過高發光效率還不夠高性價比低還不到民眾普及的時刻半導體照明的壽命實際上還涉及多方面的問題，與理論壽命有差距6.4光電耦合器件6.4.1、光電耦合器件的結構與電路符號

將發光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發光件常用LED發光二極管、LD半導體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。由于光電耦合器件的發送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實際應用中它具有許多特點，成為重要的器件。

用來制造光電耦合器件的發光元件與光電接收元件的種類都很多，因而它具有多種類型和多種封裝形式。本節僅介紹幾種常見的結構。

1、光電耦合器件的結構

光電耦合器件的基本結構如圖6-28所示，圖6-28（a）為發光器件（發光二極管）與光電接收器件（光電二極管或光電三極管等）被封裝在黑色樹脂外殼內構成光電耦合器件。圖6-28（b）者將發光器件與光電器件封裝在金屬管殼內構成的光電耦合器件。使發光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。

光電耦合器件的電路符號如圖6-29所示，圖中的發光二極管泛指一切發光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。圖6-30所示為幾種不同封裝的光電耦合器，圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般在4~12mm，分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運動速度等參數。這中封裝的器件常被稱為光電開關。圖中（d）反光型光電耦合器，LED和光電二極管封裝在一個殼體內，兩者發射光軸同接收光軸夾一銳角，LED發出的光被測物體反射，并被光電二極管接收，構成反光型光電耦合器。圖中（e）為另一種反光型光電耦合器，LED和光電二極管平行封裝在一個殼體內，LED發出的光可以在較遠的位置上放置的器件反射到光電二極管的光敏面上。顯然，這種反光型光電耦合器要比成銳角的耦合器作用距離遠。圖中（f）DIP封裝形式的光電耦合器件。這種封裝形式的器件有多種，可將幾組光電耦合器封裝在一片DIP中，用作多路信號隔離傳輸。2、光電耦合器件的特點⑴具有電隔離的功能

它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯系，所以輸入和輸出回路的電子零位可以任意選擇。絕緣電阻高達1010~l012Ω，擊穿電壓高達100~25kV，耦合電容小于1PF。

⑵信號傳輸方式

信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數字信號。

⑶具有抗干擾和噪聲的能力

它作為繼電器和變壓器使用時，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。

⑷響應速度快

⑹即具有耦合特性又具有隔離特性它能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉移等功能；

一般可達微秒數量級，甚至納秒數量級。它可傳輸的信號頻率在直流至10MHz之間。⑸實用性強

具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在－55~+l00℃之間。

6.4.2、光電耦合器件的特性參數

光電耦合器件的主要特性為傳輸特性與隔離特性。1、傳輸特性光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間的特性，它用下列幾個性能參數來描述。（1）電流傳輸比β

在直流工作狀態下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發光二極管的注入電流IF之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用β表示。如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點Q，它所對應的發光電流為

IFQ，對應的集電極電流為ICQ，

因此該點的電流傳輸比為βQ=ICQ/IFQ╳100%（6-19）如果工作點選在靠近截止區的Q1點時，雖然發光電流IF變化了ΔIF，但相應的ΔIC1，變化量卻很小。這樣，β值很明顯地要變小。同理，當工作點選在接近飽和區Q3點時，β值也要變小。這說明工作點選擇在輸出特性的不同位置時，就具有不同的β值。

因此，在傳送小信號時，用直流傳輸比是不恰當的，而應當用所選工作點Q處的小信號電流傳輸比來計算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。用β來表示。即β=ΔIc/ΔIF╳100%(6-20)

對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，β值很接近值。在一般的線性狀態使用中，都盡可能地把工作點設計在線性工作區；對于開關使用狀態，由于不關心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在實際使用中直流傳輸比又便于測量，因此通常都采用直流電流傳輸比β。光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數都是輸出與輸入電流之比值，但有本質的差別。光電耦合器件內的輸入電流使發光二極管發光，光電耦合器件的輸出電流是光電接收器件（光電二極管或光電三極管）接收到的光產生的光電流，可用αIF表示，其中α與發光二極管的發光效率、光敏三極管的增益及二者之間距離等參數有關的系數，通常稱為光激發效率。

圖6-32所示為光電耦合器件的電流傳輸比β隨發光電流IF的變化曲線。在IF較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區，因此β值較小；當IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態，β值將隨IF增加，而后，IF再增大，β反而會變小，因為發光二極管發出的光不總與電流成正比。圖6-33是β隨環境溫度的變化曲線。(2)輸入與輸出間的寄生電容CFC

這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當CFC變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系統噪音容易反饋到前面系統中。對于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內都不會影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。(3)最高工作頻率fm

頻率特性分別取決于發光器件與光電接收器件的頻率特性，由發光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應相應降低。

圖6-35示出了一個光電耦合器件的頻率曲線。圖中RC為光電耦合器的負載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負載電阻值有關。減小負載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率fM增高。（4）脈沖上升時間tr和下降時間tf

光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下的時間響應特性用輸出端的上升時間tr和下降時間tf描述。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應特性曲線。

2、隔離特性(1)輸入與輸出間隔離電壓BVCFO

光電耦合器的輸入（發光器件）與輸出（光電接收器件）的隔離特性可用它們之間的隔離電壓BVCFO來描述。一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時，隔離電壓成為重要的參數。已經可以制造出用于高壓隔離應用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。(2)輸入與輸出間的絕緣電阻RFC

光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在1091013Ω之間。它與耐壓密切相關。~3、光電耦合器件的抗干擾特性(1)光電耦合器件抗干擾強的原因①光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為10Ω~1kΩ；而干擾源的內阻很大，為103~106Ω。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。②由于干擾噪聲源的內阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。因此，被它抑制掉。③光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內，不會受到外界光的干擾。④光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.5~2pF)，絕緣電阻大(為1011~1013Ω)，因而輸出系統的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統。(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算

在向光電耦合器輸送信息(例如矩形脈沖信號)的同時，不可避免地進入干擾信號。這些干擾信號由系統自身產生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，其中以繼電器等電磁電器的開關干擾最為嚴重。這些干擾信號的波形如圖6-37（a）所示。設每個干擾脈沖寬度為1μs，重復頻率為500kHz。經過傅立葉變換，得到含有各種頻率的序列余弦函數

U(t)=A/2+(2A/π)cos2πFt－(2A/3π)cos2π3Ft+(2A/5π)cos2π5Ft…(6-21)由上式可以看出，其的直流分量為，交流分量的幅度隨頻率的升高逐級減弱。

可以用一次分量來近似地表示整個的交流分量

而不會帶來太大的誤差。Uf(t)=2

A/πcos2πFt(6-22)

如圖6-38所示，繼電器開關干擾常由繞組與接觸點間的寄生電容Cs竄入光電耦合器件的輸入端。圖6-38(b)所示為它的交流等效電路。

設繼電器繞組與接觸點間的寄生電容Cs為2pF，則等效內阻Zo為(6-23)

設使光電耦合的最小輸入電流為1mA，發光二極管的正向壓降為1V，故，等效輸入阻抗Z=lkΩ。顯然，Z＜＜Z。在該回路內，當瞬時電流達到1mA時，干擾源的基波幅值為

(6-24)

根據式（6-22），可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為

Umin=250V

在實際應用中，繼電器工作在30V以下，繼電器開關引起的干擾脈沖絕不可能高于250V

，因此，不會干擾耦合器6.5光電耦合器件的應用

6.5.1、用于電平轉換

工業控制系統所用集成電路的電源電壓和信號脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為－22V，CMOS則為5~20V。如果在系統中必須采用二種集成電路芯片，就必需對電平進行轉換，以便邏輯控制的實現。

圖6-39所示為利用光電耦合器件實現PMOS電路的電平與TTL電路電平的轉換電路。光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的脈沖信號耦合起來而且使輸入與輸出電路完全隔離。

6.5.2用于邏輯門電路

利用光電耦合器件可以構成各種邏輯電路，圖6-40所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時輸入高電平"1"，則兩個發光二極管GD1和GD2都發光，兩個光敏三極管TD1和TD2都導通，輸出端就呈現高電平“1”。若輸入端Ui1或Ui2中有一個為低電平“0”，則輸出光電三極管中必有一個不導通，使得輸出信號為“0”，故為與門邏輯電路，Uo=Ui1·Ui2。光電耦合器件還可以構成與非、或、或非、異或等邏輯電路。acdb

圖6-41所示典型應用電路中左側的輸入電路電源為13.5V的HTL邏輯電路，中間的中央運算器、處理器等電路為+5V電源，后邊的輸出部分依然為抗干擾特性高的HTL電路。

將這些電源與邏輯電平不同的部分耦合起來需要采用光電耦合器。

輸入信號經光電耦合器送至中央運算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介

6.5.3、隔離方面的應用

有時為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號分