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。

1. 3.2.3 发光器件 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。 发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射，和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射——激发辐射，激发辐射的光源常被称为冷光源。

2. 1. 发光二极管 发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED ）由半导体PN结构成，是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生的发光。 1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。 70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。 优点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻。

3. 表面LED 光纤通信 侧面LED 发光二极管 （无机） 按结构分类 平面LED 显示、报警 圆顶型LED 超发光LED 发光二极管基本结构

4. 发光二极管能带结构 正向电压 少数载流子注入 复合，发光 PN结势垒降低 电子 N区 P区 空穴 P区：空穴与注入的电子复合 N区：电子与注入的空穴复合 (1) 发光二极管工作原理

5. 窗口层 P-限制层 活性层 N-限制层 布拉格反射层 衬底

6. 三颗不同颜色的LED 由若干独立的LED组成的单个光源

7. 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则 (2) 发光光谱和发光效率 ①LED的发光光谱：LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或 频率)变化的分布曲线。 决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。 发射光谱的形成由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。

8. 材料 波长/nm 材料 波长/nm ZnS 340 CuSe-ZnSe 400～630 SiC 480 ZnxCd1-xTe 590～830 GaP 565,680 GaAs1-xPx 550～900 GaAs 900 InPxAs1-x 910～3150 InP 920 InxGa1-xAs 850～1350 LED材料 峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。 在结温上升时，谱带波长以0.2~0.3nm/℃的比例向长波方向移动。

9. 内部量子效率定义为器件中产生的光子数与在回路中流过的电子数之比值：内部量子效率定义为器件中产生的光子数与在回路中流过的电子数之比值： 辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体向外发射，光子有部分被吸收，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除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数定义为外部量子效率： ②发光效率 能量效率：发光二极管发射的光通量与输入电能之比，单位lm/W 电流效率：光强度与注入电流之比，单位为cd/A 量子效率——器件向外发射的光子数与注入的载流子数量之比。 量子效率又分为内部量子效率 和外部量子效率。

10. 对 GaAs这类直接带隙半导体，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]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[Te，Zn]的ηex约为 0.1％。 提高外部量子效率的方法有： 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。

11. (3)响应时间和温度特性 发光二极管的响应时间：注入电流后LED启亮（上升）或熄灭 （衰减）的时间。 LED的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。 响应时间一般很短，如GaAs1-xPx仅为几个ns，GaP约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。 温度特性： 通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。 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：

12. (4) 发光二极管的应用 ①数字、文字及图像显示 ②指示、照明 ③光源 ④光电开关、报警、遥控、耦合

14. 北京奥运会开幕式文艺表演的“纸”，是由LED组成的147米长、27米宽的中心舞台。

15. 开幕和闭幕仪式，观众席上的每个由9个LED组成、超过70,000个LED模块随着图案、文字和动画效果不停变换 。

17. 有机发光二极管（OLED） 1987年，C.W. Tang和S.A.VanSlyke制备出有机发光二极管元件 有机LED特点：具有自发光、视角广、反应时间快、面板厚度 薄、可制作大尺寸与柔性面板及制备工艺简单等 特性，具有低成本的潜力。

19. 索尼全球首台OLED电视 厚度仅3毫米 苹果超薄笔记本电脑

20. 2008年的 CEATEC （日本高新技术博览会）上，索尼公司的超薄11寸OLED显示屏：仅0.3mm厚

21. 索尼爱立信X10手机： 4.1英寸65536色的OLED显示屏，分辨率480×854像素

22. 三星柔性OLED显示屏 CEATEC 2011：三菱巨型圆弧OLED显示屏 韩国NeoView Kolon用于车载的透明OLED显示屏

23. 辐射波谐振， 辐射放大 粒子数反转 高能态粒子跃迁辐射 输出激光 2、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性，为相干光源。 激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。 (1)工作原理 组成：工作物质、谐振腔、泵浦源

24. (2)激光器类型 • 激光器种类繁多，按工作物质分类： • 气体激光器 • 固体激光器 • 半导体激光器 • 液体激光器。 ①气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。 常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。

25. 美国Melles Griot公司HeNe激光器 用于：激光准直，血细胞计数， 激光印刷等领域

26. ②固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光 器）和钕玻璃激光器等。

27. 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率 最高的器件，已达到几十太瓦（1太瓦 =1012瓦 ）。 缺点：所发激光的相干性的频率稳定性都不如气体激光器 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。

28. ③半导体激光器 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单。 适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。 ④液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器。 其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。

29. 电、磁绝缘，光信息相连 发光器件：LED、半导体激光器、 微形钨丝灯等 光电耦合器件 接收器件：光电二极管、光电三极管、 光电池、光敏电阻等 3.2.4 光电耦合器件 光电耦合器件：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成 具有信号传输功能的器件称为光电耦合器件。 • 类型： • 光电隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气 • 隔离和消除噪声。 • 光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。

30. A C K E 1.光电耦合器件的工作原理 光电耦合器件的基本结构 ： 发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触 电路符号： 图中：发光二极管泛指一切发光器件，光电二极管也泛指一切 光电接收器件

31. 几种不同封装的光电耦合器： 光电开关 检测两臂间是否存在物体， 以及物体的运动速度等参数 DIP封装 可将几组光电耦合器封装在一片DIP中，用作多路信号隔离传输 反光型光电耦合器 LED和光电二极管平 行封装，作用距离远 反光型光电耦合器， LED和光电二极管发射 光轴同接收光轴夹一锐角

32. 2.光电耦合器件的特点 ①具有电隔离（绝缘电阻1010~1012欧姆）功能； ②信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟/数字信号； ③具有抗干扰和噪声能力； ④响应速度快（微/纳秒，直流~10兆赫兹）， ⑤实用性强，体积小，寿命长，使用方便； ⑥既有耦合特性，又有隔离功能。 作用：互连不同电位的两组电路，完成电平匹配、电平转移

33. 3.光电耦合器件的特性参数 光电耦合器件的主要特性：隔离特性与传输特性 隔离特性包括：输入（发光器件）与输出（光电接收器件）之 间的隔离电压，输入与输出间的绝缘电阻 传输特性包括：电流传输比 β、最高工作频率fm、 时间响应特性 （上升时间τr和下降时间τf ）、 输入与输出间的寄生电容 等

34. 电流传输比β：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。 光电耦合器件的输出特性曲线： 取工作点Q，发光电流IFQ，集电极电流ICQ，则： βQ=ICQ/ IFQ×100% 工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。 在传送小信号时，以微小变量定义交流电流传输比 β=ΔIc/ΔIF×100%

35. 电流传输比β随发光电流IF与环境温度的变化 β与环境温度T的关系 β与IF的关系曲线 ▪在IF较小时，光电接收器件处于截止区，β值较小 ▪当IF变大后，光电接收器件处于线性工作状态，β值将随IF增 加 ▪ IF继续增大，β反而会变小，因为发光二极管发出的光不总与 电流成正比

36. 光电耦合器件的频率曲线 (2) 最高工作频率fm 频率特性取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。 最高工作频率fm与负载电阻值有关： 减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率fm增大。

37. 4.光电耦合器件的抗干扰特性 光电耦合器件抗干扰强的原因: ① 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω~1kΩ；而干扰源的内阻很大，为103~106Ω。按分压比计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。 ② 由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，被它抑制掉。 ③ 光电耦合器件的输入、输出是用光耦合的，且被密封在管壳内，不会受到外界光的干扰。 ④ 光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小(为0.5 ~ 2pF)，绝缘电阻大(为1011~1013Ω)，因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。

38. 5.光电耦合器件的应用 应用： ①代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小； ②代替继电器使用，做光电开关用； ③把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移； ④作为计算机主机与输入／输出端的接口，大大提高计算机的可靠性； ⑤在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。

39. 光电耦合器的组合形式有多种： 该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。 (a) 该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。 (b) 该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，适用于直接驱动和较低频率的装置中。 (c) 该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。 (d) 光电耦合器的组合形式

40. 光电耦合器件的应用举例： ▪用于电平转换 ▪用于逻辑门电路 ▪隔离方面的应用 ▪可控硅控制电路中的应用

41. ▪电平转换 对采用二种集成电路芯片的系统的电平进行转换，以便逻辑控制的实现。 利用光电耦合器件实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路： 作用：使前后两种不同电平的脉冲信号耦合，并使输入与输出 电路完全隔离

42. A.输入端Ui1和Ui2同时输入高电平“1” 发光二极管GD1和GD2均发光 光电三极管TD1和TD2均导通 输出端就呈现高电平“1” B.输入端Ui1或Ui2中有一个为低电平“0” 光电三极管TD1和TD2有一个不导通 输出信号为“0” ▪用于逻辑门电路 光电耦合器组成的与门电路， Uo= Ui1· Ui2： 利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，如与、与非、或、或非、异或等。

43. ▪隔离方面的应用 采用光电耦合器将计算机与外围设备隔离开，以提高计算机工作的可靠性

44. ▪可控硅控制电路中的应用 将一只双向可控硅整流器（SCR）和一只LED密封在一起，构成一只光耦合的双向可控硅，控制大功率负载：

45. 3.2.5 光电位置敏感器件 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，因而载流子就要扩散，光照部分与未被光照部分产生光生电动势。半导体光电位置敏感器件（PSD）就是基于该效应的光电器件。

46. 1和2为信号电极，3为公共电极。光敏面为细长的矩形条。 1.一维 PSD器件的工作原理 一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。 典型一维PSD器件S1543的结构示意图：

47. 光束入射到A处（距中心点的距离为xA），在A处产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1与2输出。光束入射到A处（距中心点的距离为xA），在A处产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1与2输出。 设P型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极的电流I0为I1和I2之和： I0= I1+I2 则：

48. I1+I2 放大器A3 光电流I1 反向放大器A1 光电流I2 反向放大器A2 I1-I2 放大器A4 一维PSD位置检测电路原理图：

49. 2对电极：Y1，Y2和X3，X4；公共N极常接电源Ubb 2.二维PSD器件的工作原理 二维PSD器件的工作原理与等效电路：

50. 为了减少测量误差，常将二维PSD器件的光敏面进行改进，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。为了减少测量误差，常将二维PSD器件的光敏面进行改进，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。