【摘要】：光電耦合器是航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要器件,其傳輸、隔離及開關(guān)特性對航天器功能、性能及可靠性有重要影響。目前以國外光電耦合器為對象的國內(nèi)仿制產(chǎn)品已研制成功,各項(xiàng)參數(shù)水平與仿制產(chǎn)品基本相當(dāng),但個(gè)別關(guān)鍵參數(shù)仍存在差距,特別是用戶應(yīng)用時(shí)關(guān)心的電流傳輸比CTR和電流傳輸比在全溫度工作范圍內(nèi)的變化率,國內(nèi)產(chǎn)品不同溫度下的CTR波動(dòng)遠(yuǎn)大于仿制產(chǎn)品,不能滿足用戶使用要求,導(dǎo)致光電耦合器應(yīng)用受限。因此有必要開展光電耦合器CTR溫度穩(wěn)定性提升研究。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成,通過對發(fā)光二極管和光敏三極管的工作原理及參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析,對影響電流傳輸比關(guān)鍵因素進(jìn)行分析,重點(diǎn)通過分析發(fā)光二極管的發(fā)光二極管的發(fā)光效率與溫度變化關(guān)系及光敏三極管的放大倍數(shù)β與溫度的關(guān)系,來分析溫度對光電耦合器電流傳輸比的影響。另外通過函數(shù)方程建立了電路傳輸比CTR的理論模型,計(jì)算全溫下電流傳輸比的最大值對應(yīng)的溫度點(diǎn)。目前國內(nèi)光電耦合器中的發(fā)光芯片主要依賴外購,導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)及性能提升途徑受限。本文對光電耦合器用的不同發(fā)光芯片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,物理結(jié)構(gòu)包括功能區(qū)分布、正電極形貌及成分、背電極形貌及成分、非電極區(qū)形貌及成分和側(cè)面形貌及成分。通過SEM、能譜分析、光譜分析、光譜響應(yīng),了解國外發(fā)光芯片的工藝、結(jié)構(gòu)及材料等信息,通過對發(fā)光芯片的測試,驗(yàn)證發(fā)光二極管的發(fā)光效率對光電耦合器電流傳輸比的影響。為發(fā)光芯片的選用和光電耦合器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),也可促進(jìn)國產(chǎn)光電耦合器自主可控事業(yè)的發(fā)展。本文對不同的紅外發(fā)光芯片與不同放大倍數(shù)的光敏三極管匹配進(jìn)行測試,利用光譜響應(yīng)對光敏芯片匹配度進(jìn)行分析,驗(yàn)證光敏三極管的放大倍數(shù)對光電耦合器電流傳輸比的影響,光敏三極管放大倍數(shù)越大,受溫度影響越大。最后通過改變光電耦合器的工藝,調(diào)整光電耦合器的電流傳輸比大小,使電流傳輸比在全溫范圍下最小值與國外產(chǎn)品相當(dāng)。
【圖文】：

信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光耦合方式，將光信號(hào)傳輸?shù)捷敵龆斯饷羧龢O管芯片表面，光敏三極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。光電耦合器電流傳輸比是光電耦合器的一個(gè)重要參數(shù)。在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器的輸出電流 IC與輸入電流 IF之比（見式 2-1），稱其為電流傳輸比（或轉(zhuǎn)換效率），用 CTR 表示。傳輸比的大小表明光耦合器傳輸信號(hào)能力的高低。在相同 IF 值下，傳輸比大，輸出電流值就大，推動(dòng)負(fù)載能力亦較強(qiáng)。= × 100% （2-1）2.2 電流傳輸比的溫度影響因素在光電耦合器電流傳輸比 CTR 影響因素分析上，，重點(diǎn)從光電耦合器工作原理及參數(shù)體系入手，著重考慮整體性和客觀性。整體性：把光電耦合器作為一個(gè)整體，進(jìn)而發(fā)掘影響電流傳輸比的因素�？陀^性：光電耦合器是由發(fā)光二極管、光敏三極管和傳輸介質(zhì)組成，分析影響因素的時(shí)候，考慮客觀因素，重點(diǎn)從發(fā)光二極管、光敏三極管以及傳輸介質(zhì)入手[11-22]。

圖 2-2 典型的 GaAs 發(fā)光芯片與 Si 光敏芯片的波長特征Fig. 2-2 The wavelength characteristics of Typical GaAs LED chip and Si photosenschip通過圖 2-2 可以看出，GaAs 材料發(fā)光芯片的波長特征完全落在 Si 光敏收范圍內(nèi)，因此 GaAs 材料發(fā)光芯片與 Si 光敏芯片進(jìn)行配對耦合。發(fā)光強(qiáng)度是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要參數(shù)。發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度輸出隨著波長變化而變化。無論什么材料制成的發(fā)光管，都有一個(gè)相對處，與之相對應(yīng)的一個(gè)波長，此波長叫峰值波長。一般光功率隨紅外發(fā)長關(guān)系為波長越小，發(fā)光功率越大。隨著溫度的升高，峰值波長會(huì)發(fā)生紅移，即發(fā)光芯片的峰值波長會(huì)變大-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN622

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本文編號(hào)：2597284