光電檢測技術(shù)6.ppt

1、2020/7/11,1,發(fā)光： 物體向外輻射出光子的現(xiàn)象 激發(fā)方法 光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線發(fā)光、放射線發(fā)光、電致發(fā)光 電致發(fā)光 結(jié)型（注入式）、粉末、薄膜電致發(fā)光 注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件（LED）、激光器、光電耦合器,第四章 發(fā)光與耦合器件,2,4.1.1 LED結(jié)構(gòu)、原理 注入式電致發(fā)光器件 由PN結(jié)管芯燒結(jié)在金屬或陶瓷底座上,封裝透明環(huán)氧樹脂 PN結(jié)靠近P區(qū)電子與空穴復(fù)合而發(fā)光 只能加正向電壓 LED材料 直接帶材料：GaAs、GaN、ZnSe 間接帶材料：GaP 混晶材料：GaAs1-xPx 摻雜不同，發(fā)光顏色不同 輻射光波長決定于材料的禁帶寬度Eg LED優(yōu)點(diǎn) 體積小、壽

2、命長、功耗低、響應(yīng)快,4.1 發(fā)光二極管,3,LED的效率 功率效率 將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成輻射的光功率的效率 光學(xué)效率 外量子效率與內(nèi)量子效率之比 量子效率:注入載流子復(fù)合而產(chǎn)生光量子的效率 內(nèi)量子效率:復(fù)合生成的光子數(shù)與注入電子空穴對(duì)數(shù)之比 外量子效率:射出的光子數(shù)與注入電子空穴對(duì)數(shù)之比 流明效率(發(fā)光效率) 消耗單位電功率所得到的光通量 照明效率:輻射功率轉(zhuǎn)換成光通量的效率,4.1 發(fā)光二極管,4.1.2 LED的特性參數(shù),4,發(fā)光光譜 發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度隨波長變化的分布曲線 由材料類型、性質(zhì)及發(fā)光中心結(jié)構(gòu)決定 峰值波長由材料的禁帶寬度決定 譜線寬度 （半強(qiáng)度寬度）較窄 溫度升高，光子能量降低

3、，光譜向長波向移動(dòng),4.1 發(fā)光二極管,4.1.2 LED的特性參數(shù),5,伏安特性 與普通二極管相同 i=i0exp(eV/mkT) 發(fā)光亮度B 單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度 LED發(fā)光亮度與電流密度成正比 ,適于脈沖下使用,4.1 發(fā)光二極管,4.1.2 LED的特性參數(shù),6,壽命 亮度降低到原有亮度的一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間 壽命較長,電流密度大時(shí),壽命變短 響應(yīng)時(shí)間 器件啟亮與熄滅的時(shí)間延遲 上升時(shí)間隨電流增加呈指數(shù)衰減 響應(yīng)時(shí)間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒 溫度特性 結(jié)溫升高到一定程度后,4.1 發(fā)光二極管,4.1.2 LED的特性參數(shù),7,數(shù)字、文字及圖像顯示 七段式數(shù)碼管 陣列式文字顯示 大屏

4、幕顯示 指示、照明 指示燈 多色燈 光源 光纖通信、光纖傳感 光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、光耦 使用要點(diǎn)： 開啟電壓、溫度特性、方向特性,4.1 發(fā)光二極管,4.1.3 LED的應(yīng)用,8,激光特點(diǎn) 方向性強(qiáng) 單色性好 相干性好 亮度高 激光類型 固體（紅寶石）、液體（有機(jī)染料）、氣體（He-Ne、CO2）、半導(dǎo)體 應(yīng)用廣泛,4.2 激光器,9,一、受激輻射 吸收 自發(fā)輻射 受激輻射 二、分布反轉(zhuǎn)(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)) 有能量輸入,使激發(fā)態(tài)載流子多于基態(tài)載流子,即分布反轉(zhuǎn) 強(qiáng)光燈照射、氣體電離、注入載流子,4.2 激光器,4.2.1 激光的產(chǎn)生,10,三、共振腔 共振腔維持振蕩:增益放大 產(chǎn)生振蕩方法：在激光

5、物質(zhì)的兩側(cè)放置相互平行的反射面，即具有共振腔 產(chǎn)生振蕩條件：共振腔長度L恰好等于輻射光半波長的整數(shù)倍，即：L=m/2n :波長, n:介質(zhì)折射率, m:正整數(shù) 總之,產(chǎn)生激光須滿足3個(gè)要求 受激輻射 粒子分布反轉(zhuǎn) 共振腔提供正反饋及增益,4.2 激光器,4.2.1 激光的產(chǎn)生,11,發(fā)光物質(zhì)：氖氣 工作物質(zhì)：氦氖混合氣 分布反轉(zhuǎn)方法：高壓氣體電離 3種波譜：0.6328m、1.15m、3.39m 綠光：0.543m,0.594m,0.605m, 0.612m 氦氖激光器的優(yōu)點(diǎn): 單色性好 方向性強(qiáng) 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊 造價(jià)低廉 結(jié)構(gòu)：全外腔、全內(nèi)腔、半內(nèi)腔,4.2 激光器,4.2.2 氦氖激光器,

6、12,外腔式氦氖激光器,內(nèi)腔式氦氖激光器,13,PN結(jié)型二極管注入式激光器 1.結(jié)構(gòu)與原理 激發(fā)裝置、工作物質(zhì)、共振腔 法布里-泊羅共振腔 工作物質(zhì):GaAs,InP,PbS,InGaAsP 結(jié)區(qū)為重?fù)诫s半導(dǎo)體 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，結(jié)區(qū)勢壘降低,電子和空穴可越過勢壘進(jìn)行復(fù)合 當(dāng)外加電壓足夠大,使qVEg時(shí)，導(dǎo)帶相對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，加上端面反饋即產(chǎn)生激光,4.2 激光器,4.2.3 半導(dǎo)體激光器,兩種方式:電子束激勵(lì)和注入式激勵(lì),14,2. 主要特性 1)閾值條件 閾值:抵償吸收與損耗的光子產(chǎn)生率,用電流密度ith表示 影響因素:激光器長度、溫度、結(jié)區(qū)表面的透過損耗、吸收損耗、表面反射率、半

7、導(dǎo)體基質(zhì)材料 高溫下閾值大 用脈沖電流激勵(lì) 2)頻譜分布 由半導(dǎo)體材料決定 低于閾值時(shí)譜線寬，高于閾值時(shí)某一特殊頻率光強(qiáng)驟增 波長由共振腔長度決定 溫度對(duì)激光器頻譜影響大,4.2 激光器,4.2.3 半導(dǎo)體激光器,15,3. 異質(zhì)結(jié)激光器 窄禁帶材料兩側(cè)加寬禁帶材料組成異質(zhì)結(jié) 同質(zhì)結(jié)激光器閾值大 異質(zhì)結(jié)閾值電流較小,隨溫度變化小 單異質(zhì)結(jié)激光器 室溫下閾值電流與同質(zhì)結(jié)相近,但隨溫度變化小 室溫下的脈沖振蕩 雙異質(zhì)結(jié)激光器 室溫下的連續(xù)振蕩 改進(jìn)方向:降低閾值、提高效率、提高光束相干性和方向性、擴(kuò)展光譜波段,4.2 激光器,4.2.3 半導(dǎo)體激光器,16,一、光電耦合器件的含義和特點(diǎn) 含義 利用

8、光耦合做成的電信號(hào)傳輸器件 將發(fā)光二極管和光敏管密封裝在一起形成的一個(gè)電-光-電器件 輸入輸出用光耦合，電性能上完全隔離 具有線性變化關(guān)系 特點(diǎn) 電隔離 信號(hào)單向傳輸 抗干擾和噪聲能力強(qiáng) 響應(yīng)速度快 使用方便:體積小,可靠性高,抗震,防水,4.3 光電耦合器件,17,二、光電耦合器件的特性參數(shù) 輸入特性:LED 輸出特性:光敏管特性 傳輸特性 電流傳輸比 直流工作狀態(tài)下,光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比，線性應(yīng)用中使用交流電流(微變)傳輸比 與三極管的電流放大倍數(shù)有本質(zhì)差別,其電流傳輸比小于1 0以下時(shí),隨T升高而上升,0以下時(shí), 隨T升高而下降,4.3 光電耦合器件

9、,18,二、光電耦合器件的特性參數(shù) 傳輸特性 輸入-輸出間絕緣耐壓BVCFO 輸入與輸出端間的絕緣耐壓值,與LED與光敏管之間的距離有關(guān) 耐壓可達(dá)幾千到上萬伏,4.3 光電耦合器件,19,二、光電耦合器件的特性參數(shù) 傳輸特性 輸入-輸出間絕緣電阻RFC 輸入與輸出端間的絕緣電阻, 一般為 反映了光電耦合器件的隔離性能 輸入-輸出間寄生電容 CFC CFC較大時(shí),會(huì)使光電耦合器件的工作頻率下降,共模抑制比下降 一般為幾皮法,高頻時(shí)需考慮其影響 最高工作頻率fM 輸出電壓幅值降至0.707時(shí)的最高工作頻率，隨負(fù)載電阻變化 脈沖上升tr時(shí)間和下降時(shí)間tf 輸入為矩形脈沖時(shí)，輸出脈沖波形的上升及下降時(shí)

10、間,4.3 光電耦合器件,20,21,二、光電耦合器件的特性參數(shù) 抗干擾特性 抗干擾能力強(qiáng)的原因 光耦輸入阻抗低，而干擾源內(nèi)阻很大 干擾源能量很小，難以使光耦發(fā)光二極管發(fā)光 輸入輸出用光耦合，并密封在管殼內(nèi)，不受外界光干擾 光耦寄生電容小，絕緣電阻大，輸出干擾難反饋到輸入 干擾源 自身、外界射頻、電源及地線的竄入、外界電火花及繼電器 干擾信號(hào)波形特點(diǎn)：尖脈沖、白噪聲、高頻 噪聲電平的估算 光耦可以抑制尖脈沖,4.3 光電耦合器件,22,三、光電耦合器件的應(yīng)用 優(yōu)點(diǎn) 體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、線性傳輸、隔離、抗干擾強(qiáng) 應(yīng)用廣泛 代替脈沖變壓器 代替繼電器 用于電平轉(zhuǎn)換 長線傳輸、計(jì)算機(jī)輸入輸出接口 開關(guān)器件 電流自動(dòng)保護(hù)器件,4.3 光電耦合器件,23,作業(yè),半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)如何？使用時(shí)以什么方式（連續(xù)或脈沖）驅(qū)動(dòng)為宜？ 激光有什么特點(diǎn)？要產(chǎn)生激光必須具備什么條件？激光閾值條件的物理含義是什么？ 氦氖激光器的結(jié)構(gòu)有幾種形式？半導(dǎo)