光電檢測發光器件第1頁，課件共70頁，創作于2023年2月第2頁，課件共70頁，創作于2023年2月

?按激發方式的不同，發光可分為光致發光，化學發光、摩擦發光、陰極射線致發光、電致發光等等。第3頁，課件共70頁，創作于2023年2月第一節、發光二極管它是一種電致發光器件，它是一個PN結，當PN結加上正向電壓時，結區勢壘降低，P區的空穴往N區擴散，N區電子往P區擴散，電子與空穴在PN結區相遇復合釋放能量而發光。1、結構第4頁，課件共70頁，創作于2023年2月發光二極管（LED）按發光波長來分：紅外發光二極管；可見光發光二極管2、分類第5頁，課件共70頁，創作于2023年2月3、發光原理PN結加以正向電壓時，在PN結附近稍偏于P區一邊的地方，處于高能態的電子與空穴相遇時，便產生發光復合。輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg，即第6頁，課件共70頁，創作于2023年2月由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發光二極管可發出不同波長的光。第7頁，課件共70頁，創作于2023年2月

(1)屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度；(2)發光響應速度快(10-7~10-9s)；(3)性能穩定，壽命長(一般105小時以上)；(4)易于和集成電路匹配，且驅動簡單；(5)與普通光源相比，單色性好；(6)小型、耐沖擊。缺點:功率較小、光色有限，較難獲得短波發光(如紫外、藍色)，且發光效率低。

4、優缺點第8頁，課件共70頁，創作于2023年2月二、LED的性能參數1、LED的效率⑴用于顯示的LED，使用流明效率。

流明效率ηL：用人眼衡量的效率，它表示消耗單位電功率Pi所得到的光通量F。第9頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑵用于非顯示時，使用功率效率與光學效率。功率效率ηp:將輸入的電功率Pi轉換成輻射的功率Pe的效率。光學效率ηo:外量子效率ηqe與內量子效率ηqi之比。第10頁，課件共70頁，創作于2023年2月

內量子效率ηqi:輻射復合所產生的光子數NT1與激發時注入的電子孔穴對數G之比。

外量子效率ηqe：射出的光子數NT與注入的電子孔穴對數G之比。

量子效率是指注入載流子復合而產生的光量子效率。第11頁，課件共70頁，創作于2023年2月2、發光光譜

指發光的相對強度（或能量）隨波長（或頻率）變化的分布曲線。第12頁，課件共70頁，創作于2023年2月3、伏安特性通過發光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關系，稱為發光二極管的伏安特性。UT為開啟電壓。U＞UT時，二極管導通發光。U＜UT時，二極管截止不發光。UT的大小與材料、工藝等因素有關。發光二極管的反向擊穿電壓一般在－5V以上。第13頁，課件共70頁，創作于2023年2月

發光二極管的發光亮度，基本上是正比于電流密度。這種性質，對于采用脈沖驅動的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。4、發光亮度第14頁，課件共70頁，創作于2023年2月5、溫度特性溫度對PN結的復合發光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結溫升高到一定程度后，電流將變小，發光亮度減弱，電流與溫度的關系大致如上圖所示。第15頁，課件共70頁，創作于2023年2月6、壽命☆發光二極管的壽命都很長，在電流密度j＝1A/cm2的情況下，一般可達106h，最長可達109h。☆電流密度對二極管的壽命是有影響的，電流密度大時，發光亮度高，壽命就會很快縮短。第16頁，課件共70頁，創作于2023年2月7、響應時間☆指發光二極管啟亮與熄滅時的時間延遲。☆發光二極管的響應時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。☆當利用脈沖電流去驅動發光二極管時，應考慮到脈沖寬度、占空比與響應時間的關系。第17頁，課件共70頁，創作于2023年2月三、發光二極管的應用及使用要點⑴數字、文字、圖像顯示；⑵指示、照明；⑶光源；⑷光電開關、報警、遙控、耦合；1、應用第18頁，課件共70頁，創作于2023年2月第19頁，課件共70頁，創作于2023年2月2、使用要點⑴開啟電壓

發光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。第20頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑵溫度特性

利用發光二極管和硅的受光器件進行組合使用時，應注意到二者的溫度特性是相反的。

溫度升高時，發光二極管的電光轉換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉換效率卻是增加的。所以使用時，應把二者放到一起考慮，注意其組合后的整體溫度特性。第21頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑶方向特性

發光二極管一般都帶有圓頂的玻璃窗，當利用它和受光器件組合時，應注意到這一結構上的特點。發光管與受光管二者對得不準時，效果會變得很差。第22頁，課件共70頁，創作于2023年2月1、LED的缺點是（）A、發光效率低B、性能穩定，壽命長C、小型D、響應速度快2、LED的優點（ ）A、壽命短 B、體積小C、功耗大 D、發光效率高3、發光二極管的工作條件是（ ）A、加熱 B、加正向偏壓C、加反向偏壓 D、光照測試題第23頁，課件共70頁，創作于2023年2月第二節、激光器激光器是一種新型光源，和鎢絲燈等常見光源相比，有許多突出的特點，例如，方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等。激光的發散角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。第24頁，課件共70頁，創作于2023年2月一、激光的產生1、受激輻射原子在兩個能級之間躍遷有三種情況，設E1為基態，E2為激發態。這二能態之間的任何躍遷都伴隨著發射或吸收頻率為ν12的光子。第25頁，課件共70頁，創作于2023年2月

⑴吸收過程：常溫下大部分原子處于基態。如過能量正好等于hν12的光子碰擊此系統時，處于基態的原子會吸收光子而進入激發態。第26頁，課件共70頁，創作于2023年2月

⑵自發發射過程：原子在激發態是不穩定的，在沒有任何外界刺激的條件下，有自發返回基態的趨勢，并放出能量為hν12的光子。第27頁，課件共70頁，創作于2023年2月

⑶受激輻射過程：當能量為hν12的入射光子激勵已處于激發態的原子后，原子因受激而躍回基態，并發射出頻率、相位和方向都與入射光子相同的能量為hν12的光子。第28頁，課件共70頁，創作于2023年2月在激光物質中，外來的光子hν12可以引起激發態原子的受激輻射，但也可能被基態原子所吸收，這兩個過程是同時存在的，且受激輻射與吸收的幾率可能具有相同的數量級。在常溫下基態原子比激發態原子多得多，故總吸收多于總發射。要產生激光，必須使總發射率大于總吸收率。第29頁，課件共70頁，創作于2023年2月2、分布反轉（粒子數反轉）要使激光工作物質的受激輻射占優勢，就必須從外部給工作物質輸入能量，使處于激發態的載流子多于基態的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉過來，稱之為分布反轉狀態（粒子數反轉）。

分布反轉是使受激輻射從次要地位轉化為主導地位的必要條件。第30頁，課件共70頁，創作于2023年2月分布反轉的方法有：☆固體激光器多采用光譜適當的強光對激光物質進行照射；☆氣體激光器多采用使氣體電離的方法；☆半導體激光器多采用注入載流子的方法，使處于基態的原子躍遷到激發態，并隨著受激輻射的損耗，不斷地補充高能原子。第31頁，課件共70頁，創作于2023年2月第32頁，課件共70頁，創作于2023年2月3、共振腔為了使發射光具有激光的特點，還必須產生“振蕩”。產生振蕩的方法是在激光物質的兩側放置相互平行的反射面，這種反射面組稱為共振腔。第33頁，課件共70頁，創作于2023年2月自發發射的方向不與共振腔軸線平行的光子將被反射出腔外，而平行的自發發射光子才能促使形成受激輻射。也就是說，這些與腔軸平行的光子在腔內兩個反射面上來回反射，反復地通過工作物質，依靠受激輻射，光子每通過一次工作物質便得到一次增益，使光子數不斷增長，所以共振腔是產生激光的又一必要條件。第34頁，課件共70頁，創作于2023年2月如果光子在腔內來回一次所感生出來的光子數比損耗掉的多得多，便可產生激光振蕩。同時光子在兩個反射面之間來回反射形成了兩列相反方向傳播的波，只有這兩列波疊加而在腔內形成駐波時，這種振蕩才是穩定的。第35頁，課件共70頁，創作于2023年2月

產生穩定振蕩的條件是共振腔的長度L恰好等于輻射光半波長的整數倍。即：激光器一般是由工作物質、諧振腔和泵浦（pu3）源組成。第36頁，課件共70頁，創作于2023年2月二、氦氖激光器氦氖激光器的工作物質是氦氖混合氣體，利用氣體電離的方法使粒子數反轉。主要發光物質是氖氣。氦氖激光器能夠發出三種波長的譜線：632.8nm：（桔紅色）最常用；1.15μm；3.39μm；第37頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑴單色性好，顏色非常純，相干長度達幾十千米。⑵方向性強，光束發散角很小，只有幾毫弧度，激光束幾乎是一條直線。⑶結構簡單，緊湊，穩定性好。⑷造價低廉，使用方便。優點第38頁，課件共70頁，創作于2023年2月

氦氖激光器以直流電源驅動，輸出光功率可達0.3mW～15mW以上。從結構上分：第39頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑴全外腔激光器：

優點是：輸出線偏振光；反射鏡可以隨時調整，適于多種實驗要求；受溫度影響較小。

缺點是：經常需要調整，而調整技術又比較復雜，因而使用不便。⑵全內腔激光器：

優點是：使用時不需要調整諧振腔，使用方便。

缺點是：腔管受溫度影響較大，輸出不穩定。⑶半內腔激光器：它具有上述兩種結構的優點。第40頁，課件共70頁，創作于2023年2月三、半導體激光器分類⑴電子束激勵的半導體激光器⑵注入式半導體激光器

小功率半導體激光器大功率半導體激光器第41頁，課件共70頁，創作于2023年2月1、結構和工作原理㈠PN結型二極管注入式激光器半導體激光器的工作物質是半導體材料。P-N結就是激活介質，與結平面垂直的兩個對應的晶體解理面（拋光面）構成了諧振腔。其余的前后兩面是粗糙的，用來消除主要方向以外的激光作用。當P-N結正向注入電流時，則可激發激光。第42頁，課件共70頁，創作于2023年2月注入式半導體激光器的工作過程是，加外電源使PN結進行正偏置。正向電流達到一定程度時，PN結區即發生導帶對于價帶的粒子數反轉。這時，導帶中的電子會有一部分發生輻射躍遷，同時產生自發輻射。自發輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導體之間。通過這種光子的誘導，即可使導帶中的電子產生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會進一步去誘導導帶中的其它電子產生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔兩端發射出激光。只要外電源不斷的向PN結注入電子，導帶對于價帶的粒子數反轉就會繼續下去，受激輻射即可不停地發生，這就是注入式半導體激光器的發光過程。第43頁，課件共70頁，創作于2023年2月2、主要特性⑴激光閾值

閾值：在激光器中，要維持激光振蕩，不僅需要使光子的生產速率超過吸收速率，而且還要超過光子在結區的損耗率。這種剛好低償吸收與損耗的光子生產率叫閾值。第44頁，課件共70頁，創作于2023年2月①激光器長度L——L越大，閾值電流越小；②結區表面的透過損耗——該損耗越大，閾值電流越大；③激光器的表面反射率——反射率越大，閾值電流越小；④溫度——閾值電流隨溫度的升高而增大；影響閾值的因素：第45頁，課件共70頁，創作于2023年2月

半導體激光器的閾值電流都比較高，由于激光器工作時需要的電流很大，電流通過結和串聯電阻時，將使結的溫度上升，這又導致閾值電流上升。所以閾值電流很高的激光器，通常用脈沖電流來激勵，以降低平均熱損耗。第46頁，課件共70頁，創作于2023年2月⑵頻譜分布☆結型激光器的頻譜分布取決于組成激光器半導體材料。適當選擇有激光作用的半導體材料，可以得到不同的激光波長。☆根據材料及結構的不同，目前半導體激光器的波長為0.33μm~44μm。☆優點：體積小、重量輕、效率高、壽命長、使用方便。

第47頁，課件共70頁，創作于2023年2月習題4－1一、填空題：1、發光二極管的發光亮度，基本上是正比于（

）。2、氦氖激光器以（

）電源驅動。從結構上分（

）（

）（

）激光器。3、發光二極管將（）能轉變為（）能。第48頁，課件共70頁，創作于2023年2月二、簡答題：1、半導體發光二極管的發光原理2、應用發光二極管時注意哪些要點？3、激光的產生有哪些條件？4、簡述注入式半導體激光器的發光過程。5、使用半導體激光器時以什么方式（連續或脈沖）驅動為宜？第49頁，課件共70頁，創作于2023年2月三、計算題如圖所示發光二極管應用電路，已知VCC=5V，發光二極管導通電壓UF=2V，工作電流IF=15mA，計算限流電阻R。第50頁，課件共70頁，創作于2023年2月第三節、光電耦合器件它是將發光器件和光敏器件密封裝在一起形成的電－光－電器件。由于輸入邊和輸出邊是用光來耦合的，在電性能上完全是隔離的。由于這種器件是一個利用光耦合做成的電信號傳輸器件，所以一般稱為光電耦合器件。一、定義第51頁，課件共70頁，創作于2023年2月光電耦合器的結構有金屬密封型和塑料密封型兩種。⑴金屬密封型：采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構，在其中心裝片，采用環焊以保證發光管和光敏管對準，以此來提高靈敏度。⑵塑料密封型：采用雙立直插式塑料封裝的結構。管芯先裝于管腳上，中間用透明樹脂固定，具有集光作用，故這種結構的光電耦合器的靈敏度較高。二、結構第52頁，課件共70頁，創作于2023年2月三、光耦的組合形式圖a組合形式，結構簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內。圖b為采用高速開關管構成的高速光電耦合器，用于較高頻率的裝置中。第53頁，課件共70頁，創作于2023年2月圖c的組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，用于直接驅動和較低頻率的裝置中。圖d為采用固體功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。無論哪一種組合形式，都要使發光元件與光敏元件在波長上得到最佳匹配，保證其靈敏度為最高。第54頁，課件共70頁，創作于2023年2月四、光耦的特點⑴具有電隔離的作用。⑵信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。⑶具有抗干擾和噪聲的能力。⑷響應速度快。⑸使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，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℃～＋100℃之間。第55頁，課件共70頁，創作于2023年2月五、特性參數㈠、傳輸特性在直流工作狀態下，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，稱為光電耦合器件的直流電流傳輸比，用β表示。⒈電流傳輸比β：第56頁，課件共70頁，創作于2023年2月工作點選擇在輸出特性的不同位置，β就不同。在傳送小信號時，用交流電流傳輸比來表示。對于輸出特性較好的光電耦合器件，有第57頁，課件共70頁，創作于2023年2月β－IF曲線β的典型溫度特性曲線第58頁，課件共70頁，創作于2023年2月

⒉輸入——輸出間絕緣耐壓BVCFO輸入——輸出間絕緣耐壓與發光二極管和光敏三極管之間的距離有關，當二者距離增大時，絕緣耐壓提高（但電流傳輸比降低）。⒊輸入——輸出間的絕緣電阻RFC輸入——輸出間絕緣電阻一般在109～1013Ω之間，該電阻越大，隔離性能越好，但電流傳輸比降低。第59頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒋輸入——輸出間的寄生電容CFC當輸入——輸出間的寄生電容增大時，光電耦合器的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面系統的噪音容易反饋到前面系統中。對于一般的光電耦合器件，其寄生電容僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內不會影響電路的正常工作。第60頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒌最高工作頻率fM隨著頻率的增高，雖然輸入信號的幅度不變，而輸出幅度卻下降了，當輸出電壓相對幅值降至0.707時，所對應的頻率稱為光電耦合器件的最高工作頻率fM(或截至頻率）。第61頁，課件共70頁，創作于2023年2月最大工作頻率也會隨著外電路負載的變化而改變。第62頁，課件共70頁，創作于2023年2月⒍脈沖上升時間tr和下降時間tf脈沖上升時間tr和下降時間tf隨著負載電阻的減小而減小。第63頁，課件共70頁，創作于2023年2月㈡、抗干擾特性⑴光電耦合器件的輸入阻抗很低，，一般為10Ω～1KΩ；而干擾源的內阻一般都很大，為103～106Ω。按一般分壓比的原理來計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就變得很小了；⑵由于一般干擾源的內阻都很大，雖然也能提供較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能形成微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發光二極管只有在通過一定電流時才能發光。因此，即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使發光二極管發光，從而被它抑制