光半導體的類型

光半導體的類型如下：

(1)發光器件???可見光LED、紅外LED、紫外LED、激光二極管

(2)受光器件???光傳感器、太陽能電池、CMOS傳感器

(3)復合器件(發光元件與受光元件的組合)???光耦、光纖耦合器

LED的發光原理

發光二極管(LED)的發光原理是向化合物半導體的pn結施加正向電流。

當正向電流通過發光二極管時，載流子(電子和空穴)移動。p型區的空穴向n型區移動，n型區的電子向p型區移動。注入的載流子重組，重組前后的能量差將以光的形式釋放出來。發射光取決于化合物半導體的能隙(Eg)。

(備注：傳統的硅二極管不發光，因為重組能量變成了熱能。)

LED的波長范圍

LED發射不同波長的紫外光乃至紅外光。發射波長將通過下面采用化合物半導體材料能隙(Eg)的等式進行表示。

λ(nm)=1240/Eg(eV)

具有較大能隙的材料發射較短的波長，具有較小能隙的材料發射較長的波長。

對于應用于電視遙控器等的紅外LED，使用GaAs(砷化鎵)材料;對于紅色/綠色指示器LED，使用GaP(磷化鎵)或InGaAlP(磷化鋁鎵銦);對于藍色LED，使用InGaN(氮化銦鎵)或GaN(氮化鎵)。

不同材料LED的發光顏色(按材料)

什么是光耦?

光 耦是將發光二極管(LED)和光電探測器集成于一個封裝中的器件。與其它光學器件不同，光不會發射至封裝外。其外觀類似于非隔離器/固態繼電器。雖然光耦是一種光學器件，但它不處理光，而是處理電信號。

光耦的操作示例：

(1)LED接通(0?1)。

(2)LED光進入光電晶體管。

(3)光電晶體管接通。

(4)輸出電壓改變0?1。

(1)LED關斷(1?0)。

(2)LED光停止進入光電晶體管。

(3)光電晶體管關斷。

(4)輸出電壓改變1?0。

為什么需要光耦?

在光耦中，原邊(LED側)和副邊(受光器件側)是電絕緣的。因此，即使原邊和副邊的電位(甚至GND電位)不同，也可以將原邊電信號傳輸到副邊。

如右圖所示的逆變器應用中，控制單元(如微控制器)通常在低直流電壓下工作。另一方面，IPM和IGBT將驅動高電壓負載(比如需要200V交流電)。高壓系統部件可通過耦合器直接由微控制器控制。

光耦的類型

LED用于光耦的輸入。另一方面，有各種器件可用于輸出。

晶體管輸出

光電晶體管是一種探測器。也可使用達林頓類型。

IC輸出

我們有光電二極管作為受光器件的產品、邏輯等輸出產品、用于IGBT和MOSFET柵極驅動的大電流輸出產品、以及隔離放大器等高功能產品。

雙向可控硅/晶閘管輸出

光電晶閘管或光電可控硅用于輸出。它們主要用于交流線路的控制。

光繼電器(MOSFET輸出)

光伏陣列(光電二極管陣列)驅動MOSFET的柵極來打開/關閉輸出。通過這種操作，它可以用作MOSFET輸出的繼電器開關。

光耦的類型(封裝)

光耦必須具有符合安全標準的封裝形狀和介電強度。根據安全標準進行設計時，需要檢查以下各項。

絕緣爬電距離

兩個導體之間沿絕緣體表面的最短距離(原邊和副邊)。

間隙

通過空氣測量的兩個導體之間的最短距離。

絕緣厚度

兩個導體之間絕緣體的最小距離。

隔離電壓

兩個導體之間的隔離電壓 *

根據UL規定，即使施加1分鐘也不會破壞絕緣的交流電壓。

光耦的類型(內部結構)

由于要求的絕緣性能、封裝尺寸和內部芯片尺寸等限制，光耦具有不同類型的內部封裝結構。

單模透射型：

框架式LED和框架式光電探測器采用面對面的模壓封裝。LED與光電探測器之間的透光部件采用硅樹脂材料。

帶膜的單模透射型：

為了提高隔離電壓，可在LED和光電探測器之間插入聚酰亞胺薄膜。

雙模透射型：

在這種透射結構中，內模為白色，外模為黑色。紅外線透光率高的樹脂用于透光部件的白色模具。

反射型：

框架式LED和框架式光電探測器位于同一平面。LED光在硅樹脂中反射并到達光電探測器。因此，它被稱為反射型。

光耦的安全標準

將光耦安裝在電氣設備中以保護人體免于觸電時，光耦可能需要遵守不同安全標準方面的規定。

現行有各種確保安全的法規和標準。

從設計和制造的角度來看，安全標準可分為“設定標準”和“零件標準”。

設定標準是設計和制造電視機、錄像機和電源裝置等設備的基礎。“整機標準”根據設備類型、隔離方法及其等級、驅動電壓等不同而異。

此外，絕緣部分必須保持的項目(介電強度(絕緣電壓)、爬電距離、間隙等)被指定為“零件標準”。

主要安全標準

零件標準

UL1577(cUL)

隔離電壓標準(1分鐘)

批準組織：UL(美國保險商實驗室公司)

EN60747-5-5

最大工作隔離電壓和最大過壓標準

批準組織：VDE(德國電氣工程師協會)

批準組織：TUV(技術監督協會)

整機標準

(批準組織：BSI(UK)SEMKO(瑞典)等)

EN60950

電信網絡設備(工作站、PC機、打印機、傳真電阻器、調制解調器等)標準

EN60065

家用電器設備標準(電視、收音機、錄像機等)

光耦的特性(電流傳輸比：CTR)

晶體管耦合器的電流傳輸比：它是用輸出電流相對于輸入電流的放大率來表示的，比如晶體管hFE。

電流傳輸比=CTR=IC/IE=輸出(集電極)電流/輸入電流×100(%)

例如：

當輸出是IF=5mA時，得到IC=10mA。

CTR=IC /IF=10mA/5mA×100(%)=200%

光耦的主要特性(觸發LED電流)

觸發LED電流”是指“觸發狀態發生變化的LED電流”。

IFT, IFH, IFLH, IFLH等用作符號。

規格書中顯示的觸發LED電流表示了產品保證的電流值。為了穩定運行，設計人員在設計時必須保證至少有觸發LED電流(最大值)流動。

輸入LED電流IF從0mA逐漸增大，如果輸出在1mA時切換到導通狀態，則IFT=1mA。

在下面的規格書中，將輸出切換到導通狀態所需的IF

最大值為3mA。

觸發LED電流是電路設計和使用壽命設計的重要項目。

光耦的老化變化數據

光耦的老化變化數據

發光元件(LED)的光輸出會隨時間的推移而減弱。在光耦中，LED光輸出的老化變化比受光器件的老化變化更為明顯。因此，設計人員需要利用所采用的光耦的老化變化數據來估計發光等級的降低趨勢。設計人員將根據使用設備的使用環境和LED的總工作時間來計算LED的光輸出變化。必須將該值反映在LED正向電流(IF)的初始值中。

*例如，當占空比(發光持續時間)為50%，工作時間為1000小時，則計算總運行時間為500小時。

左圖顯示了LED光輸出老化變化數據。

右圖顯示了LED光輸出低于某一標準時的運行時間。

例如，左圖中的A點和右圖中的B點顯示了相同條件下的老化變化。(IF=50mA，Ta=40℃，8000小時)

如何使用光耦

這些問題將在下一頁通過以下步驟進行解釋。

第1步：設計LED輸入電流IF及輸入側電阻RIN

第2步：根據IF和CTR計算輸出電流

第3步：設計輸出側電阻RL

第4步：檢查每個設計常數

如何使用光耦“輸入電流”

第1步：設計LED輸入電流和輸入電阻RIN。

光耦的輸入電流(IF)是多少?

它將由(1)輸入電源電壓(5V)，(2)限流電阻(RIN)和(3)LED正向電壓(VF)決定。

根據規格示例，確定限流電阻和輸入電流(IF)。

RIN=(VCC-VF)/IF=(5V-1.3V)/10mA=370Ω

如何使用光耦“輸出電流”

第2步：根據IF和CTR計算光電晶體管的輸出電流。

光耦的輸出電流(IC)值是多少?

根據電流傳輸比(IC/IF)計算輸入電流(IF)=10mA時輸出電流(IC)的變化。從IC-IF曲線可以看出IC=10mA(@IF=5mA，VCE=5V，Ta=25℃)。所以這個樣本的CTR是200%, 這與當BL最小時的值相同(200%到600%)。還可以看到IC=20 mA(@IF=10 mA、VCE=5V、Ta=25℃)。

接下來，我們用這里得到的IC值來推導RL。在這項計算中，設計RL的值，使得VCE即使在IC值最小時也成為飽和電壓。

如何使用光耦“輸出側電阻器”

第3步：設計輸出側電阻RL

根據輸出晶體管的IC-VCE特性確定RL。為了用于信號傳輸，必須完全滿足連接到負載側的器件的“L”電平。

這里，我們設置VCE=0.3V作為目標值。

當RL=1kΩ時，IF=10mA，VCE=0.9V，這無法滿足目標值。當RL=2kΩ時，VCE=0.2V左右，這可以滿足目標值。因此，選擇RL=2kΩ。在實際設計中，還必須考慮負載側的阻抗。

如何使用光耦檢查

第4步：檢查每個設計常數

考慮工作溫度、速度、使用壽命設計、電阻公差等是否具有足夠的裕度。

溫度范圍 ? VF，CTR，允許電流等。

負載電阻 ? 開關速度，暗電流的影響等。

確認器件使用壽命

光耦的輸入LED光輸出會隨著時間的推移而減弱。

必須確認特性滿足要求，同時必須考慮器件在使用壽命目標期間的退化趨勢。

光耦的老化變化可以根據輸入電流(IF)和環境溫度來計算。

審核編輯：湯梓紅