發(fā)光器件與光電

耦合器件講解一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源。光源一、光電儀器中的常用光源

按照發(fā)光機理，光源可以分為如下幾類：熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器太陽白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器汞燈、熒光燈、鈉燈氙燈、金屬鹵化物燈氘燈、空心陰極燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管氣體激光器、固體激光器染料激光器、半導(dǎo)體激光器由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生的物體熱輻射，稱為熱輻射光源。由于物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)而產(chǎn)生輻射，為激發(fā)輻射，其光源被稱為冷光源。冷光源按激發(fā)方式分可分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。（1）輻射效率和發(fā)光效率一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)

在給定波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需要的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。（1）輻射效率和發(fā)光效率一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)

某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率。單位為lm/W（1）輻射效率和發(fā)光效率一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)光源種類發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率普通鎢絲燈8~18高壓汞燈30~40鹵鎢燈14~30高壓鈉燈90~100普通熒光燈35~60球形氙燈30~40三基色熒光燈55~90金屬鹵化物燈60~80（2）光譜功率分布一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)

光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，得到相應(yīng)歸一化的光譜功率分布，稱為相對光譜功率分布。

光源的光譜功率分布通?？煞譃樗姆N情況：線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜、混合光譜。（2）光譜功率分布一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)線狀光譜帶狀光譜連續(xù)光譜混合光譜（3）空間光強分布一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)

對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的。若在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量長度與該方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。

在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。（3）空間光強分布一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)（4）光源的色溫一、光電儀器中的常用光源

1、光源的基本特性參數(shù)

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于非黑體輻射，它的某些特性常用黑體輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，常用用分布溫度、色溫和相關(guān)色溫表示。①分布溫度：輻射源在某一波段范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱該輻射源的分布溫度。（4）光源的色溫溫一、光電儀器器中的常用光光源1、光源的基本本特性參數(shù)②色溫：輻射源源發(fā)射光的顏顏色與黑體在在某一溫度下下輻射光的顏顏色相同，則則黑體的這一一溫度稱為該該輻射源的色色溫。③相關(guān)色溫：在在均勻色度圖圖中，如果光光源的色坐標(biāo)標(biāo)點與某一溫溫度下的黑體體輻射的色坐坐標(biāo)點最接近近，則該黑體體的溫度稱為為該光源的相相關(guān)色溫。（4）光源的色溫溫一、光電儀器器中的常用光光源1、光源的基本本特性參數(shù)光源色溫北方晴空8000-8500k陰天6500-7500k下午日光4000k鎢絲燈2700k高壓鈉燈1950-2250k蠟燭光2000k高壓汞燈3450-3750k（4）光源的色溫溫一、光電儀器器中的常用光光源1、光源的基本本特性參數(shù)色溫光色氣氛效果>5000K清涼(帶藍的白色)冷的氣氛3300-5000K中間(白)爽快的氣氛<3300K溫暖(帶紅的白色)穩(wěn)重的氣氛（5）光源的顏色色一、光電儀器器中的常用光光源1、光源的基本本特性參數(shù)光源的顏色包包含了兩方面面的含義：色色表和顯色性性。用眼睛直接觀觀察光源時所所看到的顏色色稱為光源的的色表。當(dāng)用這種光源源照射物體時時，物體呈現(xiàn)現(xiàn)的顏色（也也就是物體反反射光在人眼眼內(nèi)產(chǎn)生的顏顏色感覺）與與該物體在完完全輻射體照照射下所呈現(xiàn)現(xiàn)的顏色的一一致性，稱為為該光源的顯顯色性。顯色性較好的的光源，適用用于辯色要求求較高的場合合。（5）光源的顏色色一、光電儀器器中的常用光光源1、光源的基本本特性參數(shù)顯色指數(shù)：用用來準確描述述光源顯色性性的一種參數(shù)數(shù)，用Ra表示。太陽光光的顯色性Ra=100(即任何物體在在太陽光的照照射下，該物物體具有最真真實的顏色或或質(zhì)感)。顯色性好（Ra>70）

顯色性差(Ra<65)

一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源任何物體只要要其溫度大于于絕對零度，，就會向外界界輻射能量，，其輻射特性性與溫度有關(guān)關(guān)。物體靠加熱保保持一定溫度度，使其內(nèi)能能不變而持續(xù)續(xù)輻射的形式式稱為熱輻射射。熱輻射源源遵循有關(guān)黑黑體輻射定律律。（1）太陽一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源（2）黑體模擬器器一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源角度特性和光光譜特性與理理想黑體特性性相似的輻射射源，稱為黑黑體模擬器。。目前的黑體模模擬器最高工工作溫度為3000K，而實際應(yīng)用用的大多是2000K以下。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源將燈絲通電加加熱到白熾狀狀態(tài)，利用熱熱輻射發(fā)出可可見光的電光光源。結(jié)構(gòu)：普通白熾燈泡泡的主要部件件是玻殼和燈燈絲。玻殼一般用透明玻玻璃制成。為為避免燈絲眩眩光，對玻殼殼可進行內(nèi)涂涂覆或磨砂處處理，以形成成光的漫反射射。為加強某某一方向的發(fā)發(fā)光強度，還還在玻殼上蒸蒸涂鋁反射層層。一些特殊殊用途的燈泡泡采用彩色玻玻璃。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源燈絲又稱白熾體。。是燈泡的發(fā)發(fā)光體,常用鎢制成單單螺旋絲或雙雙螺旋絲。燈絲有如下基基本要求：①熔點溫度高高。②蒸發(fā)速速率小。③輻輻射選擇性好好。④機械加加工性能好。。⑤在高溫下下能充分定型型。⑥有較大大的電阻率。。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源白熾燈有真空空鎢絲白熾燈燈、充氣鎢絲絲白熾燈和鹵鹵鎢燈等，光光輻射由鎢絲絲通電加熱發(fā)發(fā)出的。①真空鎢絲白熾熾燈的工作溫溫度為2300~2800K，光效為10lm/W。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源白熾燈有真空空鎢絲白熾燈燈、充氣鎢絲絲白熾燈和鹵鹵鎢燈等，光光輻射由鎢絲絲通電加熱發(fā)發(fā)出的。①真空鎢絲白熾熾燈的工作溫溫度為2300~2800K，光效為10lm/W。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源②充氣鎢絲白熾熾燈由于在燈燈泡中充入和和鎢不發(fā)生化化學(xué)反應(yīng)的氬氬、氮等惰性性氣體，使由由燈絲蒸發(fā)出出來的鎢原子子在和惰性氣氣體原子碰撞撞時，部分鎢鎢原子能返回回?zé)艚z。這樣樣可以有效地地抑制鎢的蒸蒸發(fā)，從而使使白熾燈的工工作溫度提高高到2700~3000K，相應(yīng)的光效效提高到17lm/W。（3）白熾燈一、光電儀器器中的常用光光源2、熱輻射源③如果在燈泡內(nèi)內(nèi)充入鹵鎢循循環(huán)劑（如氯氯化碘、溴化化硼等），在在一定溫度下下可以形成鹵鹵鎢循環(huán)，就就構(gòu)成了鹵鎢鎢燈。鹵鎢燈燈的工作溫度度為3200K，光效為30lm/W。一、光電儀器器中的常用光光源3、氣體放電光光源一、光電儀器器中的常用光光源3、氣體放電光光源利用氣體放電電原理制成的的光源稱為氣氣體放電光源源。制作時在燈中中充入發(fā)光用用的氣體，在在電場作用下下激勵出電子子和離子，氣氣體變成導(dǎo)電電體。當(dāng)離子子向陰極，電電子向陽極運運動時，從電電場中獲得能能量，使內(nèi)層層電子躍遷到到高能級，引引起原子的激激發(fā)，受激原原子回到低能能級時就會發(fā)發(fā)射出可見輻輻射或紫外輻輻射。這樣的的發(fā)光機制被被稱為氣體放放電原理。一、光電儀器器中的常用光光源3、氣體放電光光源氣體放電光源源的分類：（1）按氣體放電電類型分：輝輝光放電燈、、弧光放電燈燈、高頻放電電燈等（2）按放電時燈燈內(nèi)氣體壓強強分：低壓放放電燈、高壓壓放電燈和超超高壓放電燈燈（3）按放電發(fā)光光物質(zhì)的種類類分：汞燈、、鈉燈、各種種金屬鹵化物物燈和稀有氣氣體燈（4）按燈的電極極形式分：冷冷陰極氣體放放電燈、熱陰陰極氣體放電電燈和無極氣氣體放電燈一、光電儀器器中的常用光光源3、氣體放電光光源氣體放電光源源的特點：（1）發(fā)光效率高高（2）結(jié)構(gòu)緊湊（3）壽命長（4）光色適應(yīng)性性強一、光電儀器器中的常用光光源3、氣體放電光光源（1）汞燈利用汞放電時時產(chǎn)生汞蒸氣氣獲得可見光光的電光源。汞燈又分低低壓汞燈、、高壓汞燈燈和超高壓壓汞燈。①低壓汞燈：：低壓汞燈燈點燃時汞汞蒸氣壓小小于一個大大氣壓，此此時汞原子子主要輻射射波長為253.7nm和185nm的紫外線。。低壓汞燈有有兩類：冷冷陰極輝光光放電燈和和熱陰極弧弧光放電燈燈。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（1）汞燈②高壓汞燈：：當(dāng)汞燈內(nèi)內(nèi)的蒸汽壓壓達到1~5大氣壓時，，汞燈電弧弧的輻射光光譜就會產(chǎn)產(chǎn)生明顯變變化，光譜譜線加寬，，出現(xiàn)弱的的連續(xù)光譜譜，紫外輻輻射明顯減減弱，而可可見輻射增增加。高壓汞燈的的發(fā)光效率率達64lm/W。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（1）汞燈③球形超高壓壓汞燈：燈燈內(nèi)汞蒸氣氣氣壓達到到10~20個大氣壓，，這樣燈的的輻射光譜譜與高壓汞汞燈相比有有明顯不同同：紫外輻輻射減少，，可見光輻輻射光譜線線較寬，連連續(xù)部分增增加，并且且紅外光譜譜輻射增強強。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（2）氙燈利用氙氣放放電而發(fā)光光的電光源源。高壓氙氙燈的輻射射光譜是連連續(xù)的，與與日光的光光譜能量分分布相接近近，色溫為為6000K左右，顯色色指數(shù)90以上，因此此有“小太陽”之稱。氙燈可分為為長弧氙燈燈、短弧氙氙燈和脈沖沖氙燈三種種。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（2）氙燈①長弧氙燈：：當(dāng)氙燈的的電極間距距為15~130cm時稱為長弧弧氙燈。它它的工作氣氣壓一般為為一個大氣氣壓，發(fā)光光效率為25~30lm/W。長弧氙燈的的輻射光譜譜與日光接接近，適于于大面積照照明，也可可用作電影影攝影、彩彩色照相制制版、復(fù)印印等方面的的光源；同同時，在棉棉織物的顏顏色檢驗、、藥物和塑塑料老化試試驗、植物物栽培、光光化反應(yīng)等等方面，也也可作模擬擬日光和人人工老化光光源。此外外，大功率率長弧氙燈燈還可作為為連續(xù)激光光光源。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（2）氙燈②短弧氙燈：：當(dāng)氙燈的的電極間距距縮短到毫毫米數(shù)量級級時稱為短短弧氙燈。。它的工作作氣壓一般般為10~20個大氣壓。。短弧氙燈燈的電弧亮亮度很高，，其陰極點點的最大亮亮度可達幾幾十萬坎德德拉每平方方厘米，電電弧亮度在在陰極和陽陽極距離上上分布是很很不均勻的的。短弧氙燈常常用于電影影放映、熒熒光分光光光度計以及及模擬日光光等場合。。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（2）氙燈③脈沖氙燈：：脈沖氙燈燈的發(fā)光是是不連續(xù)的的，能在很很短的時間間內(nèi)發(fā)出很很強的光。。管內(nèi)氣壓壓均在一個個大氣壓一一下。它用用高壓電脈脈沖激發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生光脈沖沖。脈沖氙氙燈廣泛用用作固體機機關(guān)器的光光泵、照相相制版、高高速攝影和和光信號源源等方面。。短弧氙燈常常用于電影影放映、熒熒光分光光光度計以及及模擬日光光等場合。。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（3）熒光燈利用熒光粉粉把低氣壓壓汞蒸氣放放電過程中中產(chǎn)生的紫紫外線轉(zhuǎn)變變成可見光光的電光源源。一般制制成管形。。熒光燈的的發(fā)光效率率高,發(fā)光面積大大,光線柔和,使用壽命長長,可以使光色色近似日光光色或其他他各種光色色，是一種種良好的室室內(nèi)照明光光源。結(jié)構(gòu)熒光光燈由玻管管、電極、、汞和惰性性氣體、燈燈頭等部件件組成。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（3）熒光燈1971年,荷蘭的庫達達姆發(fā)明三三基色熒光光燈。三基基色熒光燈燈的顯色性性優(yōu)良，發(fā)發(fā)光效率也也很高。采采用稀土金金屬三基色色熒光粉制制成的熒光光燈，一般般顯色指數(shù)數(shù)Ra可超過90，發(fā)光效率率可超過901m/W，并能在相相同照度下下產(chǎn)生更明明亮的感覺覺和更舒適適的視覺效效果。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（3）熒光燈發(fā)光原理熒熒光光燈工作時時，在放電電過程中被被電場加速速的電子與與汞原子碰碰撞，汞原原子吸收電電子的動能能而被激發(fā)發(fā)。激發(fā)原原子在短時時間(10-8～10-9秒)內(nèi)又回到原原來的低能能量狀態(tài)。。這時原子子由于碰撞撞而吸收的的能量以電電磁波輻射射能的形式式釋放出來來。在低氣氣壓汞蒸氣氣放電條件件下，大部部分輻射能能量集中在在波長為253.7nm和185.0nm的兩條譜線線上，其中中前一條譜譜線占總輻輻射能量的的90％以上，起起主要作用用。波長為為253.7nm的輻射是人人眼看不見見的紫外線線，它照射射到玻管內(nèi)內(nèi)壁的熒光光粉涂層上上后即轉(zhuǎn)變變成可見光光。一、光電儀儀器中的常常用光源3、氣體放電電光源（4）金屬鹵化物燈燈在普通照明用高高壓汞燈的電弧弧管內(nèi)，加入某某種金屬鹵化物物或幾種金屬鹵鹵化物的混合物物而制成的一種種氣體放電燈。。具有發(fā)光效率率高、色溫高、、顯色性好等特特點。金屬鹵化物燈具具有光效高(60～100流明/瓦)、光色好、結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊等特點，，又可做成不同同色溫（2400～7500K）的光源,甚至通過添加某某種特殊的金屬屬鹵化物可制成成主要輻射紫外外、紅外或某種種特定光譜的光光源。一、光電儀器中中的常用光源3、氣體放電光源源（4）金屬鹵化物燈燈工作原理金屬屬鹵化物燈點燃燃后，放電產(chǎn)生生的熱量加熱了了泡殼，附著在在管壁內(nèi)的金屬屬鹵化物從管壁壁處蒸發(fā)，然后后向電弧中心擴擴散。當(dāng)金屬鹵鹵化物分子擴散散進入高溫電弧弧中心后，鹵化化物分子在電弧弧的高溫下分解解成金屬原子和和鹵素原子。金金屬原子在電弧弧中受激而發(fā)出出該金屬的特性性光譜。另一方方面，電弧中心心的金屬原子和和鹵素原子也向向管壁擴散，而而管壁溫度遠低低于電弧溫度。。當(dāng)金屬原子和和鹵素原子在比比較冷的管壁區(qū)區(qū)域相遇時，它它們將再次化合合形成鹵化物。。鹵化物再向電電弧中心擴散，，如此往復(fù)循環(huán)環(huán)，不斷地向電電弧提供金屬蒸蒸氣，使燈不斷斷地輻射出強烈烈的光。6.1發(fā)光二極管的基基本工作原理與與特性1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)導(dǎo)體二極管在正正向偏置的情況況下發(fā)光。70年代末，人們開開始用發(fā)光二極極管作為數(shù)碼顯顯示器和圖像顯顯示器。進十年年來，發(fā)光二極極管的發(fā)光效率率及發(fā)光光譜都都有了很大的提提高，用發(fā)光二二極管作光源有有許多優(yōu)點。6.1.1發(fā)光二極管的發(fā)發(fā)光機理發(fā)光二極管（即即LED）是一種注入電電致發(fā)光器件，，它由P型和N型半導(dǎo)體組合而而成。其發(fā)光機機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光光兩種。1.PN結(jié)注入發(fā)光1.PN結(jié)注入發(fā)光PN結(jié)處于平衡時，，存在一定的勢勢壘區(qū)，其能帶帶如圖6-1所示。當(dāng)加正偏偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，，從擴散區(qū)注入入的大量非平衡衡載流子不斷地地復(fù)合發(fā)光，并并主要發(fā)生在p區(qū)。2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光光為了提高載流子子注入效率，可可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)。圖2-13（a）表示理想的異異質(zhì)結(jié)能帶圖。。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不不相等，當(dāng)加上上正向電壓時小小區(qū)的勢壘降低低，兩區(qū)的價帶帶幾乎相同，空空穴就不斷向n區(qū)擴散。對n區(qū)電子，勢壘仍仍然較高，不能能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的的p區(qū)成為注入源，，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)復(fù)合發(fā)光的發(fā)光光區(qū)（圖2-13（b））。例如，禁禁帶寬EG2=1.32eV的p-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eVp-GaAs與禁帶寬EG1＝0.7eV的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，，n-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。由于n區(qū)所發(fā)射的光子子能量hv比EG2小得多，它進入入p區(qū)不會引起本征征吸收而直接透透射出去。6.1.2基本結(jié)構(gòu)1.面發(fā)光二極管圖6-3所示為波長0.8～0.9μm的雙異質(zhì)結(jié)GaAs／AIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的有有源發(fā)光區(qū)是圓圓形平面，直徑徑約為50μm，厚度小于2.5μm。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小小圓孔與有源發(fā)發(fā)光區(qū)平面正垂垂直接入，周圍圍用粘合材料加加固，用以接收有源發(fā)發(fā)光區(qū)平面射出出的光，光從尾尾纖輸出。有源源發(fā)光區(qū)光束的的水平、垂直發(fā)發(fā)散角均為120°。2.邊發(fā)光二極管圖6-4所示為波長1.3μm的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP／InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核核心部分是一個個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射射率比有源層低低，比周圍其他他材料的折射率率高，從而構(gòu)成成以有源層為芯芯層的光波導(dǎo)，，有源層產(chǎn)生的的光輻射從其端端面射出。為了和光纖的纖纖芯尺寸相配合合，有源層射出出光的端面寬度度通常為50～70μm，長度為100～150μm。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)發(fā)光器件要好，，其發(fā)散角水平平方向為25°～35°，垂直方向為120°。6.1.3LED的特性參數(shù)1.發(fā)光光譜和發(fā)光光效率LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對強強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線線。它直接決定定著發(fā)光二極管管的發(fā)光顏色，，并影響它的發(fā)發(fā)光效率。發(fā)射射光譜的形成由由材料的種類、、性質(zhì)以及發(fā)光光中心的結(jié)構(gòu)決決定的，而與器器件的幾何形狀狀和封裝方式無無關(guān)。描述光譜譜分布的兩個主主要參量是它的峰值波長長和發(fā)光強度的的半寬度。對于于輻射躍遷所發(fā)發(fā)射的光子，其其波長λ與躍遷前后的能能量差ΔE之間的關(guān)系為λ＝hc／ΔE。復(fù)合躍遷前后后的能量差大體體就是材料的禁禁帶寬Eg。因此，峰值波波長由材料的禁禁帶寬度決定。。例如GsAs的峰值波長出現(xiàn)現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4和GaP的發(fā)射光譜。當(dāng)當(dāng)GaAs1—xPx中的x值不同時，峰值值波長在620～680nm之間變化，譜線線半寬度大致為為20～30nm。GaP發(fā)紅光的峰值波波長在700nm附近，半寬度大大約為100nm。峰值光子的能量量還與溫度有關(guān)關(guān)，它隨溫度的的增加而減少。。在結(jié)溫上升時時，譜帶波長以以0.2~0.3nm/℃的比例向長波方方向移動。發(fā)光二極管發(fā)射射的光通量與輸輸人電能之比表表示發(fā)光效率，，單位lm/W；也有人把光強強度與注入電流流之比稱為發(fā)光光效率，單位為為cd／A（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管管的發(fā)光效率由由輸出輻射功率率與輸入電功率率的百分比表示示。發(fā)光效率由內(nèi)部部量子效率與外外部量子效率決決定。內(nèi)部量子子效率在平衡時時，電子-空穴對的激發(fā)率率等于非平衡載載流子的復(fù)合率率（包括輻射復(fù)復(fù)合和無輻射復(fù)復(fù)合），而復(fù)合合率又分別決定定于載流子壽命命τr和τrn，其中輻射復(fù)合合率與1/τr成正比，，無輻射射復(fù)合率率為1/τrn，內(nèi)部量量子效率率為（6-1）式中，neo為每秒發(fā)發(fā)射出的的光子數(shù)數(shù),ni為每秒注注入到器器件的電電子數(shù),τr是輻射復(fù)復(fù)合的載載流子壽壽命,τrn是無輻射射復(fù)合的的載流子子壽命。。由式中中可以看看出，只只有τrn＞＞τr，才能獲獲得有效效的光子子發(fā)射。。必須指出出，輻射射復(fù)合發(fā)發(fā)光的光光子并不不是全部部都能離離開晶體體向外發(fā)發(fā)射。光光子通過過半導(dǎo)體體有一部部分被吸吸收，有有一部分分到達界界面后因因高折射射率（折折射系統(tǒng)統(tǒng)的折射射系數(shù)約約為3～4）產(chǎn)生全全反射而而返回晶晶體內(nèi)部部后被吸吸收，只只有一部部分發(fā)射射出去。。因此，，將單位位時間發(fā)發(fā)射到外外部的光光子數(shù)nex除以單位位時間內(nèi)內(nèi)注入到到器件的的電子-空穴對數(shù)數(shù)nin定義為外外部量子子效率ηex，即(6-2)對GaAs這類直接接帶隙半半導(dǎo)體，，ηin可接近100％。但ηex很小，如如CaP[Zn-O]紅光發(fā)射射效率ηev很小，最最高為15％；發(fā)綠綠光的GaP[N]的ηev約為0.7％；對發(fā)發(fā)紅光的的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％；對發(fā)發(fā)紅外光光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηev約為0.1％。2.時間響應(yīng)應(yīng)特性與與溫度特特性提高外部部量子效效率的措措施有三三條：①用比空空氣折射射率高的的透明物物質(zhì)如環(huán)環(huán)氧樹脂脂（n2=1.55）涂敷在在發(fā)光二二極管上上；②把晶體體表面加加工成半半球形；；③用禁帶帶較寬的的晶體作作為襯底底，以減減少晶體體對光吸吸收。發(fā)光二極極管的時時間響應(yīng)應(yīng)快，短短于1μs，比人眼眼的時間間響應(yīng)要要快得多多，但用用作光信信號傳遞遞時，響響應(yīng)時間間又顯得得太長。。發(fā)光二二極管的的響應(yīng)時時間取決決于注入入載流子子非發(fā)光光復(fù)合的的壽命和和發(fā)光能能級上躍躍遷的幾幾率。通常發(fā)光光二極管管的外部部發(fā)光效效率均隨隨溫度上上升而下下降。圖圖6-6表示GaP（綠色））、GaP（紅色））、GaAsP三種發(fā)光光二極管管的相對對光亮度度Le,λ,r與溫度t的關(guān)系曲曲線。3.發(fā)光亮度度與電流流的關(guān)系系發(fā)光二極極管的發(fā)發(fā)光亮度度L是單位面面積發(fā)光光強度的的量度。。在輻射射發(fā)光發(fā)發(fā)生在P區(qū)的情況況下，發(fā)發(fā)光亮度度L與電子擴擴散電流流idn之間的關(guān)關(guān)系為(6-3)式中，τ是載流子子輻射復(fù)復(fù)合壽命命τR和非輻射射復(fù)合壽壽命τNR的函數(shù)如圖6-7所示為GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極極管的發(fā)發(fā)光亮度度與電流流密度的的關(guān)系曲曲線。這這些LED的亮度與與電流密密度近似似成線性性關(guān)系，，且在很很大范圍圍內(nèi)不易易飽和。。4.最大工作作電流在低工作作電流下下，發(fā)光光二極管管發(fā)光效效率隨電電流的增增加而明明顯增加加，但電電流增加加到一定定值時，，發(fā)光效效率不再再增加；；相反，，發(fā)光效效率隨工工作電流流的繼續(xù)續(xù)增加而而降低。。圖6-8表示發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內(nèi)量子子效率ηin的相對值與電流密密度J及溫度T間的關(guān)系。隨著發(fā)發(fā)光管電流密度的的增加，pn結(jié)的溫度升高，將將導(dǎo)致熱擴散，使使發(fā)光效率降低。。因此，最大工作電電流密度應(yīng)低于最最大發(fā)射效率的電電流密度值。若發(fā)發(fā)光二極管的最大大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容容許的工作電流為為（6-4）式中，rd為發(fā)光二極管的動動態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在在較小工作電流時時的電流和正向壓壓降。5.伏安特性發(fā)光二極管的伏安安特性如圖6-9所示，它與普通二二極管的伏安特性性大致相同。電壓壓小于開啟點的電電壓值時無電流，，電壓一超過開啟啟點就顯示出歐姆姆導(dǎo)通特性。這時時正向電流與電壓壓的關(guān)系為i＝ioexp(eV/mkT)(6-5)式中，m為復(fù)合因子。在較較寬禁帶的半導(dǎo)體體中，當(dāng)電流i<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能能級進行復(fù)合的空空間復(fù)合電流起支支配作用，這時m＝2。電流增大后，擴擴散電流占優(yōu)勢時時，m＝1。因而實際測得的的m值大小可以標(biāo)志器器件發(fā)光特性的好好壞。6.壽命發(fā)光二極管的壽命命定義為亮度降低低到原有亮度一半半時所經(jīng)歷的時間間。二極管的壽命命一般都很長，在在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的的加長，亮度下降降的現(xiàn)象叫老化。。老化的快慢與工工作電流密度有關(guān)關(guān)。隨著電流密度度的加大，老化變變快，壽命變短。。7.響應(yīng)時間在快速顯示時，標(biāo)標(biāo)志器件對信息反反應(yīng)速度的物理量量叫響應(yīng)時間，即即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗驗證明，二極管的的上升時間隨電流流的增加而近似呈呈指數(shù)衰減。它的的響應(yīng)時間一般是是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅(qū)驅(qū)動二極管時，脈脈沖的間隔和占空空因數(shù)必須在器件件響應(yīng)時間所許可可的范圍內(nèi)。6.1.4驅(qū)動電路發(fā)光二極管工作需需要施加正向偏置置電壓，以提供驅(qū)驅(qū)動電流。典型的的驅(qū)動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管管的集電極，通過過調(diào)節(jié)三極管基極極偏置電壓，可獲獲得需求的輻射光光功率。在光通信信中以LED為光源的場合，需需要對LED進行調(diào)制，則調(diào)制制信號通過電容耦耦合到基極，輸出出光功率則被電信信號所調(diào)制。6.2發(fā)光二極管的應(yīng)用用6.2.1數(shù)字、文字及圖像像顯示6.2.2指示、照明6.2.3光電開關(guān)、報警、、遙控、耦合6.2.4光源思考題與習(xí)題66.1為什么說發(fā)光二極極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、孔孔穴的遷移率有關(guān)關(guān)嗎？6.2為什么發(fā)光二極管管必須在正向電壓壓作用下才能發(fā)光光？反向偏置的發(fā)發(fā)光二極管能發(fā)光光嗎？6.4光電耦合器件6.4.1光電耦合器件的結(jié)結(jié)構(gòu)與電路符號將發(fā)光器件與光電電接收器件組合成成一體，制成具有有信號傳輸功能的的器件稱為光電耦耦合器件。光電耦耦合器件的發(fā)光件件常用LED發(fā)光二極管、LD半導(dǎo)體激光器和微微形鎢絲燈等。光光電接收器件常用用光電二極管、光光電三極管、光電電池及光敏電阻等等。由于光電耦合合器件的發(fā)送端與與接收端是電、磁磁絕緣的，只有光光信息相連。因此此，在實際應(yīng)用中中它具有許多特點點，成為重要的器器件。用來制造光電耦合合器件的發(fā)光元件件與光電接收元件件的種類都很多，，因而它具有多種種類型和多種封裝裝形式。本節(jié)僅介介紹幾種常見的結(jié)結(jié)構(gòu)。1.光電耦合器件的結(jié)結(jié)構(gòu)光電耦合器件的基基本結(jié)構(gòu)如圖6-28所示，圖6-28（a）為發(fā)光器件（發(fā)發(fā)光二極管）與光光電接收器件（光光電二極管或光電電三極管等）被封封裝在黑色樹脂外外殼內(nèi)構(gòu)成光電耦耦合器件。圖6-28（b）者將發(fā)光器件與與光電器件封裝在在金屬管殼內(nèi)構(gòu)成成的光電耦合器件件。使發(fā)光器件與與光電接收器件靠靠得很近，但不接接觸。光電耦合器件的電電路符號如圖6-29所示，圖中的發(fā)光光二極管泛指一切切發(fā)光器件，圖中中的光電二極管也也泛指一切光電接接收器件。圖6-30所示為幾種不同封封裝的光電耦合器器，圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同同安裝方式光電發(fā)發(fā)射器件與光電接接收器件分別安裝裝器件的兩臂上，，分離尺寸一般在在4~12mm，分開的目的是要要檢測兩臂間是否否存在物體，以及及物體的運動速度度等參數(shù)。這中封封裝的器件常被稱稱為光電開關(guān)。圖中（d）反光型光電耦合合器，LED和光電二極管封裝裝在一個殼體內(nèi)，，兩者發(fā)射光軸同同接收光軸夾一銳銳角，LED發(fā)出的光被測物體體反射，并被光電電二極管接收，構(gòu)構(gòu)成反光型光電耦耦合器。圖中（e）為另一種反光型型光電耦合器，LED和光電二極極管平行封封裝在一個個殼體內(nèi)，，LED發(fā)出的光可可以在較遠遠的位置上上放置的器器件反射到到光電二極極管的光敏敏面上。顯顯然，這種種反光型光光電耦合器器要比成銳銳角的耦合合器作用距距離遠。圖中（f）DIP封裝形式的的光電耦合合器件。這這種封裝形形式的器件件有多種，，可將幾組組光電耦合合器封裝在在一片DIP中，用作多多路信號隔隔離傳輸。。3.光電耦合器器件的特點點⑴具有電隔離離的功能它的輸入、、輸出信號號間完全沒沒有電路的的聯(lián)系，所所以輸入和和輸出回路路的電子零零位可以任任意選擇。。絕緣電阻阻高達1010~l012Ω，擊穿電壓壓高達100~25kV，耦合電容容小于1PF。⑵信號傳輸方方式信號傳輸是是單向性的的，不論脈脈沖、直流流都可以使使用。適用用于模擬信信號和數(shù)字字信號。⑶具有抗干擾擾和噪聲的的能力它作為繼電電器和變壓壓器使用時時，可以使使線路板上上看不到磁磁性元件。。它不受外外界電磁干干擾、電源源干擾和雜雜光影響。。⑷響應(yīng)速度快快⑹即具有耦合合特性又具具有隔離特特性它能很容易易地把不同同電位的兩兩組電路互互連起來，，圓滿地完完成電平匹匹配、電平平轉(zhuǎn)移等功功能；一般可達微微秒數(shù)量級級，甚至納納秒數(shù)量級級。它可傳傳輸?shù)男盘柼栴l率在直直流至10MHz之間。⑸實用性強具有一般固固體器件的的可靠性，，體積小(一般φ6×6mm)，重量輕，，抗震，密密封防水，，性能穩(wěn)定定，耗電省省，成本低低，工作溫溫度范圍在在－55~+l00℃之間。6.4.2光電耦合器器件的特性性參數(shù)光電耦合器器件的主要要特性為隔隔離特性與與傳輸特性性。1.傳輸特性光電耦合器器件的傳輸輸特性就是是輸入與輸輸出間的特特性，它用用下列幾個個性能參數(shù)數(shù)來描述。。（1）電流傳輸輸比β在直流工作作狀態(tài)下，，光電耦合合器件的集集電極電流流Ic與發(fā)光二極極管的注入入電流IF之比定義為為光電耦合合器件的電電流傳輸比比，用β表示。如圖圖6-31所示為光電電耦合器件件的輸出特特性曲線，，在其中部部取一工作作點Q，它所對應(yīng)應(yīng)的發(fā)光電電流為IFQ，對應(yīng)的集集電極電流流為ICQ，因此該點的的電流傳輸輸比為βQ=ICQ/IFQ╳100%（6-19）如果工作點點選在靠近近截止區(qū)的的Q1點時，雖然然發(fā)光電流流IF變化了ΔIF，但相應(yīng)的的ΔIC1，變化量卻卻很小。這這樣，β值很明顯地地要變小。。同理，當(dāng)當(dāng)工作點選選在接近飽飽和區(qū)Q3點時，β值也要變小小。這說明明工作點選選擇在輸出出特性的不不同位置時時，就具有有不同的β值。因此，在傳傳送小信號號時，用直直流傳輸比比是不恰當(dāng)當(dāng)?shù)?，而?yīng)應(yīng)當(dāng)用所選選工作點Q處的小信號號電流傳輸輸比來計算算。這種以以微小變量量定義的傳傳輸比稱為為交流電流流傳輸比。。用β來表示。即即β=ΔIc/ΔIF╳100%(6-20)對于輸出特特性線性度度做得比較較好的光電電耦合器件件，β值很接近值值。在一般般的線性狀狀態(tài)使用中中，都盡可可能地把工工作點設(shè)計計在線性工工作區(qū)；對對于開關(guān)使使用狀態(tài)，，由于不關(guān)關(guān)心交流與與直流電流流傳輸比的的差別，而而且在實際際使用中直直流傳輸比比又便于測測量，因此此通常都采采用直流電電流傳輸比比β。光電耦合器器件的電流流傳輸比與與三極管的的電流放大大倍數(shù)都是是輸出與輸輸入電流之之比值，但但有本質(zhì)的的差別。光光電耦合器器件內(nèi)的輸輸入電流使使發(fā)光二極極管發(fā)光，，光電耦合合器件的輸輸出電流是是光電接收收器件（光光電二極管管或光電三三極管）接接收到的光光產(chǎn)生的光光電流，可可用αIF表示，其中中α與發(fā)光二極極管的發(fā)光光效率、光光敏三極管管的增益及及二者之間間距離等參參數(shù)有關(guān)的的系數(shù)，通通常稱為光光激發(fā)效率率。圖6-32所示為光電電耦合器件件的電流傳傳輸比β隨發(fā)光電流流IF的變化曲線線。在IF較小時，耦耦合器件的的光電接收收器件處于于截止區(qū)，，因此β值較??；當(dāng)當(dāng)IF變大后，光光電接收器器件處于線線性工作狀狀態(tài)，β值將隨IF增加，而后后，IF再增大，β反而會變小小，因為發(fā)發(fā)光二極管管發(fā)出的光光不總與電電流成正比比。圖6-33是β隨環(huán)境溫度度的變化曲曲線。(2)輸入與輸出出間的寄生生電容CFC這是輸入與與輸出端之之間的寄生生電容。當(dāng)當(dāng)CFC變大時，會使使光電耦合器器件的工作頻頻率下降，也也能使其共模模抑制比CMRR下降，故后面面的系統(tǒng)噪音音容易反饋到到前面系統(tǒng)中中。對于一般般的光電耦合合器件，其CFC僅僅為幾個pF，一般在中頻頻范圍內(nèi)都不不會影響電路路的正常工作作，但在高頻頻電路中就要要予以重視了了。(3)最高工作頻率率fm頻率特性分別別取決于發(fā)光光器件與光電電接收器件的的頻率特性，，由發(fā)光二極極管與光電二二極管組成的的光電耦合器器件的頻率響響應(yīng)最高，最最高工作頻率率fm接近于10MHz，其他組合的的頻率響應(yīng)相相應(yīng)降低。圖6-35示出了一個光光電耦合器件件的頻率曲線線。圖中RC為光電耦合器器的負載電阻阻，顯然，最最高工作頻率率fm與負載電阻值有關(guān)。。減小負載電電阻會使光電電耦合器件的的最高工作頻頻率fM增高。（4）脈沖上升時時間tr和下下降時間tf光電耦合器在在脈沖電壓信信號的作用下下的時間響應(yīng)應(yīng)特性用輸出出端的上升時時間tr和下降時間tf描述。如圖6-36所示為典型光光電耦合器件件的脈沖響應(yīng)應(yīng)特性曲線。。2.隔離特性(1)輸入與輸出間間隔離電壓BVCFO光電耦合器的的輸入（發(fā)光光器件）與輸輸出（光電接接收器件）的的隔離特性可可用它們之間間的隔離電壓壓BVCFO來描素。一般般低壓使用時時隔離特性都都能滿足要求求，在高壓使使用時，隔離離電壓成為重重要的參數(shù)。。已經(jīng)可以制制造出用于高高壓隔離應(yīng)用用的耐壓高達達幾千伏或上上萬伏的光電電耦合器件。。(2)輸入與輸出間間的絕緣電阻阻RFC光電耦合器隔隔離特性另一一種描述方式式是絕緣電阻阻。光電耦合合器的隔離電電阻一般在1091013Ω之間。它與耐耐壓密切相關(guān)關(guān)，它與β的關(guān)系和耐壓壓與β的關(guān)系一樣。。~3.光電耦合器件件的抗干擾特特性(1)光電耦合器件件抗干擾強的的原因①光電耦耦合器件的輸輸入阻抗很低低，一般為10Ω~1kΩ；而干擾源的的內(nèi)阻很大，，為103~106Ω。按分壓比計計算，能夠饋饋送到光電耦耦合器件輸入入端的干擾噪噪聲變得很小小。②由于干干擾噪聲源的的內(nèi)阻很大，，干擾電壓供供出的能量卻卻很小，只能能形成很弱的的電流。而發(fā)發(fā)光二極管只只有在通過一一定的電流時時才能發(fā)光。。因此，被它它抑制掉。③光電耦耦合器件的輸輸入、輸出是是用光耦合的的，且被密封封在管殼內(nèi)，，不會受到外外界光的干擾擾。④光電耦合合器件的輸入入、輸出間寄生電電容很小(為0.5~2pF)，絕緣電阻大大(為1011~1013Ω)，因而輸出系系統(tǒng)的各種干干擾噪音很難難通過光電耦耦合器件反饋饋到輸入系統(tǒng)統(tǒng)。(2)光電耦合器件件抑制干擾噪噪聲電平的估估算在向光電耦合合器輸送信息息(例如矩形脈沖沖信號)的同時，不可可避免地進入入干擾信號。。這些干擾信信號由系統(tǒng)自自身產(chǎn)生的干干擾、電源脈脈動干擾、外外界電火花干干擾以及繼電電器釋放所產(chǎn)產(chǎn)生的反電勢勢的泄放干擾擾等。干擾信信號包含各種種白噪聲和各各種頻率的尖尖脈沖，其中以繼電器器等電磁電器器的開關(guān)干擾擾最為嚴重。。這些干擾信信號的波形如如圖6-37（a）所示。設(shè)每每個干擾脈沖沖寬度為1μs，重復(fù)頻率為為500kHz。經(jīng)過傅立葉葉變換，得到到含有各種頻頻率的序列余余弦函數(shù)U(t)=A/2+(2A/π)cos2πFt－(2A/3π)cos2ππ3Ft+(2A/5π)cos2ππ5Ft…(6-21)由上式可以看看出，其的直直流分量為，，交流分量量的幅度隨頻頻率的升高逐逐級減弱?？梢杂靡淮畏址至縼斫频氐乇硎菊麄€的的交流分量而不會帶來太大大的誤差。Uf(t)=2A/πcos2πFt(6-22)如圖6-38所示，繼電器器開關(guān)干擾常常由繞組與接接觸點間的寄寄生電容Cs竄入光電耦合合器件的輸入入端。圖6-38(b)所示為它的交交流等效電路路。設(shè)繼電器繞組組與接觸點間間的寄生電容容Cs為2pF，則等效內(nèi)阻阻Zo為(6-23)設(shè)使光電耦合合的最小輸入入電流為1mA，發(fā)光二極管管的正向壓降降為1V，故，等效輸輸入阻抗Z=lkΩ。顯然，Z＜＜Z。在該回路內(nèi)內(nèi)，當(dāng)瞬時電電流達