光电技术第11讲1

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1、光电技术（第9讲）发光器件及光电耦合器件一、概述通常人们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、紫外等不可见波段的辐射。本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发光器件及光电耦合器件。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（包括辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子寿命τr和τrn，其中辐射复合率与1/τr成正比，无辐射复合率为1/τrn，内部量子效率为式中，neo为每秒发射出的光子数,ni为每秒注入到器件的电子数辐射复合发光

2、的光子并不是全部都能离开晶体向外发射。光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为3～4）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。因此，将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin定义为外部量子效率ηex，即对GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如GaP红光发射效率ηex很小，最高为15％；发绿光的GaP[N]的ηex约为0.7％；对发红光的GaAs0.6P0.4，其ηex约为0.4％；对发红外光的In0.32Ga0.68P的ηev约

3、为0.1％。2.时间响应特性与温度特性提高外部量子效率的措施有三条：①用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2=1.55）涂敷在发光二极管上；②把晶体表面加工成半球形；③用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。发光二极管的时间响应快，短于1μs，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图6-6表示GaP（绿色）、GaP（红色）、GaAsP三种发光二极管的相对光亮度Le,λ,r与温度t的关系曲线

4、。3.发光亮度与电流的关系发光二极管的发光亮度L是单位面积发光强度的度量。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系为式中，τ是载流子辐射复合寿命τr和非辐射复合寿命τrn的函数如图6-7所示为GaAsl—xPx、Gal—xAlxAs和GaP(绿色)发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线。这些LED的亮度与电流密度近似成线性关系，且在很大范围内不易饱和。4.最大工作电流若工作电流较小，LED发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。图6-8所示为发红光的G

5、aP发光二极管内量子效率ηin的相对值与电流密度J及温度T的关系。随着电流密度的增加，pn结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。5.伏安特性LED的伏安特性如图6-9所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时，正向电流与电压的关系为i＝ioexp(eV/mkT)式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i<0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m＝2。电流增大后，扩散电流占优势时，m＝1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。6

6、.寿命LED的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。7.响应时间在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和

7、占空比必须在器件响应时间许可的范围内。6.1.4驱动电路LED工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图6-10所示，将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中以LED为光源的场合，需要对LED进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。6.4光电耦合器件光电耦合器件是发光器件与光接收器件组合的一种器件，它是以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端，也称为光耦合器。他的发送端和接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。6.4.1光电耦合器件的结构与电路符号1

8、.光电耦合器件的结构光电耦合器件的电路符号如图6-29所示，图中的发光二极管泛指一切发光器件，图中的光电二极管也泛指一切光