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第四章、发光与耦合器件,发光：通常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、紫外等不可见的频段。,热发光：物体在发光过程中产生大量的热量，温度明显的升高。 冷发光：指物体在发光过程中不产生大量的热量，温度没有明显的升高，一般保持在常温。,按激发方式的不同，发光可分为光致发光，化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等等。,第一节、发光二极管,它是一种电致发光器件，它是一个PN结，当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴往N区扩散，N区电子往P区扩散，电子与空穴在PN结区相遇复合释放能量而发光。,1、结构,发光二极管（LED）按发光波长来分： 红外发光二极管； 可见光发光二极管,2、分类,3、发光原理,PN结加以正向电压时，在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg，即,由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。,(1)属于低电压、小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度； (2)发光响应速度快(10-710-9s)； (3)性能稳定，寿命长(一般105小时以上)； (4)易于和集成电路匹配，且驱动简单； (5)与普通光源相比，单色性好； (6)小型、耐冲击。 缺点:功率较小、光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低。,4、优缺点,二、LED的性能参数,1、LED的效率,用于显示的LED，使用流明效率。,流明效率L：用人眼衡量的效率，它表示消耗单位功率Pi所得到的光通量F。,用于非显示时，使用功率效率与光学效率。,功率效率p:将输入的电功率Pi转换成辐射的功率Pe的效率。,光学效率o:外量子效率qe与内量子效率qi之比。,内量子效率qi:辐射复合所产生的光子数NT1与激发时注入的电子孔穴对数G之比。,外量子效率qe：射出的光子数NT与注入的电子孔穴对数G之比。,量子效率是指注入载流子复合而产生的光量子效率。,2、发光光谱,指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。,3、伏安特性,通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为发光二极管的伏安特性。 UT为开启电压。UUT时，二极管导通发光。UUT时，二极管截止不发光。UT的大小与材料、工艺等因素有关。 发光二极管的反向击穿电压一般在5V以上。,发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度。这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有利的，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下，获得很高的亮度。,4、发光亮度,5、温度特性,温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。,6、寿命,发光二极管的寿命都很长，在电流密度j1A/cm2的情况下，一般可达106h，最长可达109h 。 电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。,7、响应时间,指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。 发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。 当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、占空比与响应时间的关系。,三、发光二极管的应用及使用要点,数字、文字、图像显示； 指示、照明； 光源； 光电开关、报警、遥控、耦合；,1、应用,2、使用要点,开启电压 发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类似。只是正向开启电压一般都比普通的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。,温度特性 利用发光二极管和硅的受光器件进行组合使用时，应注意到二者的温度特性是相反的。 温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。所以使用时，应把二者放到一起考虑，注意其组合后的整体温度特性。,方向特性 发光二极管一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应注意到这一结构上的特点。发光管与受光管二者对得不准时，效果会变得很差。,第二节、激光器,激光器是一种新型光源，和钨丝灯等常见光源相比，有许多突出的特点，例如，方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等。激光的发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。,一、激光的产生,1、受激辐射,原子在两个能级之间跃迁有三种情况，设E1为基态，E2为激发态。这二能态之间的任何跃迁都伴随着发射或吸收频率为12的光子。,吸收过程：常温下大部分原子处于基态。如过能量正好等于h12的光子碰击此系统时，处于基态的原子会吸收光子而进入激发态。,自发发射过程：原子在激发态是不稳定的，在没有任何外界刺激的条件下，有自发返回基态的趋势，并放出能量为h12的光子。,受激辐射过程：当能量为h12的入射光子激励已处于激发态的原子后，原子因受激而跃回基态，并发射出频率、相位和方向都与入射光子相同的能量为h12的光子。,在激光物质中，外来的光子h12可以引起激发态原子的受激辐射，但也可能被基态原子所吸收，这两个过程是同时存在的，且受激辐射与吸收的几率可能具有相同的数量级。在常温下基态原子比激发态原子多得多，故总吸收多于总发射。要产生激光，必须使总发射率大于总吸收率。,2、分布反转（粒子数反转）,要使激光工作物质的受激辐射占优势，就必须从外部给工作物质输入能量，使处于激发态的载流子多于基态的载流子，也就是把载流子的正常分布倒转过来，称之为分布反转状态（粒子数反转）。 分布反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。,分布反转的方法有： 固体激光器多采用光谱适当的强光对激光物质进行照射； 气体激光器多采用使气体电离的方法； 半导体激光器多采用注入载流子的方法，使处于基态的原子跃迁到激发态，并随着受激辐射的损耗，不断地补充高能原子。,3、共振腔,为了使发射光具有激光的特点，还必须产生“振荡”。产生振荡的方法是在激光物质的两侧放置相互平行的反射面，这种反射面组称为共振腔。,自发发射的方向不与共振腔轴线平行的光子将被反射出腔外，而平行的自发发射光子才能促使形成受激辐射。也就是说，这些与腔轴平行的光子在腔内两个反射面上来回反射，反复地通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次增益，使光子数不断增长，所以共振腔是产生激光的又一必要条件。,如果光子在腔内来回一次所感生出来的光子数比损耗掉的多得多，便可产生激光振荡。 同时光子在两个反射面之间来回反射形成了两列相反方向传播的波，只有这两列波叠加而在腔内形成驻波时，这种振荡才是稳定的。,产生稳定振荡的条件是共振腔的长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍。即：,激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦（pu3）源组成。,二、氦氖激光器,氦氖激光器的工作物质是氦氖混合气体，利用气体电离的方法使粒子数反转。主要发光物质是氖气。 氦氖激光器能够发出三种波长的谱线： 632.8nm： （桔红色）最常用； 1.15m； 3.39m；,单色性好，颜色非常纯，相干长度达几十千米。 方向性强，光束发散角很小，只有几毫弧度，激光束几乎是一条直线。 结构简单，紧凑，稳定性好。 造价低廉，使用方便。,优点,氦氖激光器以直流电源驱动，输出光功率可达0.315mW以上。从结构上分：,全外腔激光器： 优点是：输出线偏振光；反射镜可以随时调整，适于多种实验要求；受温度影响较小。 缺点是：经常需要调整，而调整技术又比较复杂，因而使用不便。 全内腔激光器： 优点是：使用时不需要调整谐振腔，使用方便。 缺点是：腔管受温度影响较大，输出不稳定。 半内腔激光器： 它具有上述两种结构的优点。,三、半导体激光器,分类,电子束激励的半导体激光器 注入式半导体激光器,小功率半导体激光器,大功率半导体激光器,1、结构和工作原理,PN结型二极管注入式激光器,半导体激光器的工作物质是半导体材料。P-N结就是激活介质，与结平面垂直的两个对应的晶体解理面（抛光面）构成了谐振腔。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的激光作用。当P-N结正向注入电流时，则可激发激光。,注入式半导体激光器的工作过程是，加外电源使PN结进行正偏置。正向电流达到一定程度时，PN结区即发生导带对于价带的粒子数反转。这时，导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，往返于半导体之间。通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光放大）。受激辐射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射。如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐振腔两端发射出激光。只要外电源不断的向PN结注入电子，导带对于价带的粒子数反转就会继续下去，受激辐射即可不停地发生，这就是注入式半导体激光器的发光过程。,2、主要特性,激光阈值,阈值：在激光器中，要维持激光振荡，不仅需要使光子的生产速率超过吸收速率，而且还要超过光子在结区的损耗率。这种刚好低偿吸收与损耗的光子生产率叫阈值。,激光器长度LL越大，阈值电流越小； 结区表面的透过损耗该损耗越大，阈值电流越大； 激光器的表面反射率反射率越大，阈值电流越小； 温度阈值电流随温度的升高而增大；,影响阈值的因素：,半导体激光器的阈值电流都比较高，由于激光器工作时需要的电流很大，电流通过结和串联电阻时，将使结的温度上升，这又导致阈值电流上升。所以阈值电流很高的激光器，通常用脉冲电流来激励，以降低平均热损耗。,频谱分布,结型激光器的频谱分布取决于组成激光器半导体材料。适当选择有激光作用的半导体材料，可以得到不同的激光波长。 根据材料及结构的不同，目前半导体激光器的波长为0.33m44m。 优点：体积小、重量轻、效率高、寿命长、使用方便。,习题41,一、填空题： 1、发光二极管的发光亮度，基本上是正比于（ ）。 2、氦氖激光器以（ ）电源驱动。从结构上分（ ）（ ）（ ）激光器。 3、发光二极管将（）能转变为（）能 。,二、简答题： 1、半导体发光二极管的发光原理 2、应用发光二极管时注意哪些要点？ 3、激光的产生有哪些条件？ 4、简述注入式半导体激光器的发光过程。 5、使用半导体激光器时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？,三、计算题 如图所示发光二极管应用电路，已知VCC=5V，发光二极管导通电压UF=2V，工作电流IF=15mA，计算限流电阻R。,第三节、光电耦合器件,它是将发光器件和光敏器件密封装在一起形成的电光电器件。由于输入边和输出边是用光来耦合的，在电性能上完全是隔离的。由于这种器件是一个利用光耦合做成的电信号传输器件，所以一般称为光电耦合器件。,一、定义,光电耦合器的结构有金属密封型和塑料密封型两种。 金属密封型：采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中心装片，采用环焊以保证发光管和光敏管对准，以此来提高灵敏度。 塑料密封型：采用双立直插式塑料封装的结构。管芯先装于管脚上，中间用透明树脂固定，具有集光作用，故这种结构的光电耦合器的灵敏度较高 。,二、结构,三、光耦的组合形式,图 a 组合形式，结构简单、成本低，通常用于 50kHz 以下工作频率的装置内。,图 b 为采用高速开关管构成的高速光电耦合器，用于较高频率的装置中。,图 c 的组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，用于直接驱动和较低频率的装置中。,图 d 为采用固体功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,无论哪一种组合形式， 都要使发光元件与光敏元件在波长上得到最佳匹配，保证其灵敏度为最高。,四、光耦的特点,具有电隔离的作用。 信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。 具有抗干扰和噪声的能力。 响应速度快。 使用方便，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 55100之间。,五、特性参数,、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，称为光电耦合器件的直流电流传输比，用表示。,电流传输比：,工作点选择在输出特性的不同位置，就不同。在传送小信号时，用交流电流传输比来表示。,对于输出特性较好的光电耦合器件，有,晶体管的集电极电流远远大于基极电流，即 大； 光电耦合器件的基区内，从发射区发射过来的电子是与光激发出的空穴相复合而成为光复和电流，可用IF表示， 为光激发效率（它是发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数）。一般光激发效率比较低，所以IF大于IC。即光电耦合器件在不加复合放大三极管时， 小于1。,光电耦合器件的电流传输比与晶体管的电流放大倍数的区别：,IF曲线,的典型温度特性曲线,输入输出间绝缘耐压BVCFO,输入输出间绝缘耐压与发光二极管和光敏三极管之间的距离有关，当二者距离增大时，绝缘耐压提高（但电流传输比降低）。,输入输出间的绝缘电阻RFC,输入输出间绝缘电阻一般在1091013之间，该电阻越大，隔离性能越好，但电流传输比降低。,输入输出间的寄生电容CFC,当输入输出间的寄生电容增大时，光电耦合器的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面系统的噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其寄生电容仅仅为几个pF，一般在中频范围内不会影响电路的正常工作。,最高工作频率fM,随着频率的增高，虽然输入信号的幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率称为光电耦合器件的最高工作频率fM(或截至频率）。,最大工作频率也会随着外电路负载的变化而改变。,脉冲上升时间tr和下降时间tf,脉冲上升时间tr和下降时间tf随着负载电阻的减小而减小。,、抗干扰特性,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101K；而干扰源的内阻一般都很大，为103106 。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变得很小了； 由于一般干扰源的内阻都很大，虽然也能提供较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了；,光电耦合器件的输入输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个封密管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰； 光电耦合器件的输入输出间的寄生电容很小（一般为0.52pF），绝缘电阻又非常大（一般为10111013），因而输出系统内的各种干扰噪声很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去；,、光电耦合器件的应用,在代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频到几兆赫的信息，且失真小，这使变压器相形见拙；,在代替继电器使用时，又能克服继电器在断电时反电势的泄放干扰及在大振动大冲击下触点抖动等不可靠的问题；,能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，从而圆满并且很简单地完成电平匹配、电平转移等功能；,光电耦合器件的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中的信噪比； 在计算机主体运算部与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大增强计算机的可靠性； 光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件使用时，又具有晶体管开关不可比拟的优点。 在稳压电源中，它作为过电流自动保护器件使用时，使保护电路既简单又可靠等；,二、简答题： 1、简述光电耦合器件的电流传输比与晶体管的电流放大倍数的区别？ 2、简述光电耦合器件的特点。,习题42,一、填空题 1、光电耦合器是由（） 器件与（） 器件组成的（）（）（）器件。这种器件在信息传输过程中是用（）作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的。,三、分析题： 光电耦合器件测试电路如图所示，分析它的工作原理。,
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