CN106568999A - 一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法 - Google Patents

一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法，包括：随机选择一个第一发光二级管；随机选择一个第一光敏三极管；当基于第一发光二级管和第一光敏三极管生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配时，重新选择第二发光二级管和/或重新选择第二光敏三极管，直至生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的发光二级管作为光电耦合器的输入端，将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的光敏三极管作为光电耦合器的输出端。通过本发明可以准确得到符合电流传输比温度稳定性要求的发光二级管和光敏三极管，提高了光电耦合器电流传输比温度稳定性。

Description

一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，尤其涉及一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法。
背景技术
光电耦合器作为光电器件中的一种，广泛应用于航天领域，是航天领域的重要器件之一。光电耦合器的传输、隔离及开关特性对航天器功能、性能及可靠性有重要影响。
目前，现有的光电耦合器普遍存在的问题是：光电耦合器的电流传输比(输出电流与输入电流的比值)受温度影响较大，光电耦合器的电流传输比随着温度的升高稳定性逐渐变差。在实际应用中，特别是在宇航应用中，当将光电耦合器用作信号传输时，所述光电耦合器的电流传输比随温度变化的稳定性严重影响光电耦合器的工作性能，电流传输比温度稳定性不足将严重制约光电耦合器的应用。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法，提高了光电耦合器电流传输比温度稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法，包括：
步骤1、从多个发光二极管中随机选择一个发光二级管作为第一发光二级管；其中，所述多个发光二极管的正向电压互不相同；
步骤2、从多个光敏三极管中随机选择一个光敏三极管作为第一光敏三极管；其中，所述多个光敏三极管的发射区重掺杂度互不相同；
步骤3、在当前工作温度下，通过所述第一发光二级管接收输入电流，并通过所述第一光敏三极管输出对应的输出电流；根据所述输入电流和所述输出电流确定当前工作温度下的电流传输比；
步骤4、改变光电耦合器的工作温度，重复执行上述步骤3，依次得到不同工作温度下的电流传输比，生成电流传输比与温度的关系曲线；
步骤5、判断生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线是否匹配；
步骤6，若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，则将所述第一发光二级管作为光电耦合器的输入端，将所述第一光敏三极管作为光电耦合器的输出端；
步骤7，若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配，则重新选择第二发光二级管和/或重新选择第二光敏三极管，重复执行上述步骤3-5，直至生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，并将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的发光二级管作为光电耦合器的输入端，将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的光敏三极管作为光电耦合器的输出端；其中，所述第二发光二级管的正向电压小于所述第一发光二级管的正向电压，所述第二光敏三极管的发射区重掺杂度小于所述第一光敏三极管的发射区重掺杂度。
在上述提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法中，所述预设曲线用于指示：随温度的改变，电流传输比的稳定性满足预设稳定性标准。
在上述提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法中，所述输入电流在所述随机选择的发光二级管和所述随机选择的光敏三极管之间通过透明绝缘体或空气传输。
在上述提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法中，作为光电耦合器的输入端的发光二级管的正向电压满足如下条件：0.8V～1.5V。
在上述提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法中，所述光电耦合器的工作温度满足如下条件：-15℃～85℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中，当基于第一发光二级管和第一光敏三极管得到的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配时，可以通过降低发光二级管的正向电压(如，选择正向电压更低的第二发光二极管)、和/或、降低光敏三极管的发射区重掺杂度(如，选择发射区重掺杂度更低的第二光敏三极管)的方式，使最终得到的电流传输比与温度的关系曲线满足预设曲线，也即，使电流传输比与温度的关系稳定在一定范围内，满足电流传输比温度稳定性的要求。换而言之，在本发明中，通过降低发光二级管的正向电压和/或降低光敏三极管的发射区重掺杂度的方式提高了光电耦合器电流传输比温度稳定性，方案简单易行，便于在工艺及设计中实现。
(2)在本发明中，在-15～85℃工作温度范围内，通过降低发光二级管的正向电压和/或降低光敏三极管的发射区重掺杂度的方式，使得电流传输比温度稳定性提升一倍。
附图说明
图1是本发明实施例中一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种光电耦合器的结构示意图
图3是本发明实施例中一种电流传输比与温度的关系曲线示意图；
图4是本发明实施例中又一种电流传输比与温度的关系曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法的步骤流程图。在本实施例中，所述提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法包括：
步骤101，从多个发光二极管中随机选择一个发光二级管作为第一发光二级管。
一般的，针对相同工艺、结构和材料的发光二极管，在同一正向电流下，发光二极管的正向电压会在一定范围内波动。在本发明实施例中，所述多个发光二极管的正向电压互不相同，可以通过随机选择的方式从所述多个发光二极管选择一个发光二极管作为第一发光二级管，用以执行下述步骤103-105，以确定第一发光二级管是否满足电流传输比温度稳定性的要求。
步骤102，从多个光敏三极管中随机选择一个光敏三极管作为第一光敏三极管。
光敏三极管发射区重掺杂度引起的禁带变窄量是影响晶体管温度特性的主要因素。在本发明实施例中，所述多个光敏三极管的发射区重掺杂度互不相同，可以通过随机选择的方式从所述多个光敏三极管中随机选择一个光敏三极管作为第一光敏三极管，用以执行下述步骤103-105，以确定第一光敏三极管是否满足电流传输比温度稳定性的要求。
步骤103，在当前工作温度下，通过所述第一发光二级管接收输入电流，并通过所述第一光敏三极管输出对应的输出电流；根据所述输入电流和所述输出电流确定当前工作温度下的电流传输比。
在本发明实施例中，电流传输比为：输出电流与输入电流的比值。需要说明的是，在不同的工作温度下，电流传输比一般是不同的，步骤103得到的为当前工作温度下、基于第一发光二级管和第一光敏三极管得到的电流传输比。
步骤104，改变光电耦合器的工作温度，重复执行上述步骤103，依次得到不同工作温度下的电流传输比，生成电流传输比与温度的关系曲线。
在本发明实施例中，可以采用任意适当的方式来对光电耦合器的工作温度进行调节，得到不同工作温度下的电流传输比，进而生成电流传输比与温度的关系曲线。
优选的，在本发明实施例中，所述光电耦合器的工作温度满足如下条件：-15℃～85℃。换而言之，在对光电耦合器的工作温度进行调节时，一般是在-15℃～85℃内进行调节。
步骤105，判断生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线是否匹配。
在本实施例中，所述预设曲线用于指示：随温度的改变，电流传输比稳定性满足预设稳定性标准。其中，若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，则执行下述步骤106；若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配，则可以执行下述步骤107。
步骤106，将所述第一发光二级管作为光电耦合器的输入端，将所述第一光敏三极管作为光电耦合器的输出端。
在本实施例中，当生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时，则说明当前随机选择的第一发光二级管和第一光敏三极管满足光电耦合器电流传输比温度稳定性的要求，进而，可以将第一发光二级管作为光电耦合器的输入端，将第一光敏三极管作为光电耦合器的输出端，保证了光电耦合器电流传输比温度稳定性。
步骤107，重新选择第二发光二级管和/或重新选择第二光敏三极管，重复执行上述步骤103-105，直至生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，并将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的发光二级管作为光电耦合器的输入端，将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的光敏三极管作为光电耦合器的输出端。
在本实施例中，所述第二发光二级管的正向电压小于所述第一发光二级管的正向电压，所述第二光敏三极管的发射区重掺杂度小于所述第一光敏三极管的发射区重掺杂度。换而言之，在重新选择发光二级管时，可以基于正向电压逐渐降低的规则进行发光二级管的选择；在重新选择光敏三极管时，可以基于发射区重掺杂度逐渐降低的规则进行光敏三极管的选择。
其中，需要说明的是，作为光电耦合器的输入端的发光二级管的正向电压满足如下条件：0.8V～1.5V。
参照图2，示出了本发明实施例中一种光电耦合器的结构示意图。在本实施例中，光电耦合器包括：发光二极管100和光敏三极管200。所述发光二极管和光敏三极管之间可以通过透明绝缘体(如，导光胶)或空气实现电隔离和光传输。
光电耦合器的电流传输比(CTR)是指输出电流(IC)和输入电流(IF)的比值，如公式(1)所示：
一般情况下，公式(1)可以表达为：
其中，η为发光二极管的发光效率，表示输入电流中参与发光部分的比例；K为光在传输路径上的传输效率，与传输介质的属性有关，为一常数；R为光敏三极管的响应效率，表示入射光功率与光生电流之间的转换效率，与感光面材料有关，为一常数；β为光敏三极管的放大倍数，表示光生电流与输出电流之间的放大关系。其中，发光二极管的发光效率η和光敏三极管的放大倍数β为受温度影响较为明显的参数。
针对发光二级管：
一般情况下，发光二极管工作在PN结(采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，其交界面形成的空间电荷区称为PN结)正偏条件下，其输出光强度与常温正向压降VF和正向电流IF有关。其中，常温正向压降VF是施加的外界载荷，与温度无关；正向电流IF受温度影响。其中，发光二级管的正向电流可用公式(3)描述：
其中，A和B是与时间有关的参数，，在仅考虑温度对发光二极管量子效率的影响时，可假定A和B为常数；为扩散电流，导致发光二极管辐射发光；为空间电荷复合电流，导致发光二极管发热；q为：电子电荷的绝对值；T为温度。
根据公式(3)可以得到发光二极管的发光效率η与温度T之间的关系：
根据公式(4)可以确定，在固定常温正向压降VF的情况下，随着温度T的上升，扩散电流和复合电流同时下降。其中，扩散电流的下降速率大于复合电流，导致发光二极管的量子效率随温度的上升而下降。在本发明实施例中，优选的，可以根据公式(4)预先确定所述多个正向电压互不相同的发光二极管。
针对光敏三极管
光敏三极管放大倍数β随温度的变化情况对光电耦合器电流传输比温度稳定性影响极大。其中，光敏三极管放大倍数β与温度T的关系可以表示为：
β＝β*e-ΔEg/KT··········公式(5)
其中，ΔEg为光敏三极管的发射区重掺杂引起的禁带变窄量，β*是ΔEg为零时的放大倍数，与温度无关。由公式(5)可知，β随温度上升按指数规律急剧上升。
如前所述，在上述公式(5)中未考虑温度变化对β*的影响，优选的，可以基于温度变化对β*的影响，对上述公式(5)进行修正，得到下述公式(6)：
β＝β*(T)e-ΔEg/KT·········公式(6)
在公式(6)中引入了β*与温度的关系，β*与温度的关系可以由β*(T)＝β*T-α表示，其中，α＝0.6，则上述公式(6)进一步可以表示为：
β＝β*T-0.6e-ΔEg/KT········公式(7)
在本发明实施例中，优选的，可以根据公式(7)预先确定所述多个发射区重掺杂度互不相同的光敏三极管。
综上，根据上述公式(2)、(4)和(7)可以得到：
根据上述公式(8)可知，当选择的发光二极管的正向电压不同，和/或选择的光敏三极管的发射区重掺杂度不同时，电流传输比温度稳定性也不完全相同。
例如，选取VF＝1.5V的A型号的发光二极管，匹配M型号的光敏三极管，测得电流传输比CTR随温度的变化曲线如图3中的曲线A所示。选取VF＝0.9V的B型号的发光二极管，匹配M型号的光敏三极管，测得电流传输比CTR随温度的变化曲线如图3中的曲线B所示。由图3可知，当光敏三极管一定时，采用不同的VF的发光二极管接收输入电流得到的电流传输比与温度的关系曲线不同。假设，图3中的曲线C为预设曲线(曲线C为:预设的满足电流传输比温度的稳定性要求的曲线)，通过将曲线A与曲线C进行比较，以及，将曲线B与曲线C进行比较，可以确定曲线B与曲线C匹配(波动范围满足设定波动范围)，确定曲线A与曲线C不匹配(波动范围不满足设定波动范围)。进而，可以将VF＝0.9V的B型号的发光二极管作为光电耦合器的输入端。
此外，显而易见的，根据图3可知，降低VF后的曲线B相比于降低VF前曲线A，光电耦合器电流传输比在高温时的变化趋势，由VF降低前的上升趋势转变为VF降低后的平稳趋势，光电耦合器电流传输比随温度先上升，逐渐趋于饱和，整体波动较小，呈现良好的温度稳定性。也即，在一定范围内，降低VF可显著提高光电耦合器电流传输比的温度稳定性。其中，需要说明的是，在本发明实施例中，发光二级管的正向电压通常满足如下条件：0.8V～1.5V(包括0.8V和1.5V)。
进一步的，由于ΔEg为发射区重掺杂引起的禁带变窄量，因此，可以通过降低发射区浓度，减小重掺杂程度等方式来降低ΔEg，进而提高光电耦合器电流传输比的温度稳定性。
例如，选取ΔEg为0.06eV的E型号的光敏三极管，匹配N型号的发光二极管，测得电流传输比CTR随温度的变化曲线如图4中的曲线E所示。选取ΔEg为0.02eV的F型号的光敏三极管，匹配N型号的发光二极管，测得电流传输比CTR随温度的变化曲线如图4中的曲线F所示。由图4可知，当发光二极管一定时，采用不同的ΔEg的光敏三极管最终得到的电流传输比与温度的关系曲线不同。假设，图4中的曲线G为预设曲线(曲线G为:预设的满足电流传输比温度的稳定性要求的曲线)，通过将曲线E与曲线G进行比较，以及，将曲线F与曲线G进行比较，可以确定曲线F与曲线G匹配(波动范围满足设定波动范围)，确定曲线E与曲线G不匹配(波动范围不满足设定波动范围)。进而，可以将ΔEg为0.06eV的F型号的光敏三极管作为光电耦合器的输出端。显而易见的，根据图4可知，降低ΔEg后的曲线F相比于降低ΔEg前曲线E，光电耦合器电流传输比在高温时的变化趋势整体波动较小，呈现良好的温度稳定性。也即，在一定范围内，降低ΔEg可显著提高光电耦合器电流传输比的温度稳定性。其中，需要说明的是，在本发明实施例中，发光二级管的正向电压通常满足如下条件：0.01eV～0.1eV(包括0.01eV和0.1eV)。
综上所述，在本发明实施例中，当基于第一发光二级管和第一光敏三极管得到的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配时，可以通过降低发光二级管的正向电压(如，选择正向电压更低的第二发光二极管)、和/或、降低光敏三极管的发射区重掺杂度(如，选择发射区重掺杂度更低的第二光敏三极管)的方式，使最终得到的电流传输比与温度的关系曲线满足预设曲线，也即，使电流传输比与温度的关系稳定在一定范围内，满足电流传输比温度稳定性的要求。换而言之，在本发明实施例中，通过降低发光二级管的正向电压和/或降低光敏三极管的发射区重掺杂度的方式提高了光电耦合器电流传输比温度稳定性，方案简单易行，便于在工艺及设计中实现。
其次，基于上述图3和图4的实验结果数据可以确定。在本发明实施例中，在-15～85℃工作温度范围内，通过降低发光二级管的正向电压和/或降低光敏三极管的发射区重掺杂度的方式，可以使电流传输比温度稳定性至少提升一倍。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种提高光电耦合器电流传输比温度稳定性的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、从多个发光二极管中随机选择一个发光二级管作为第一发光二级管；其中，所述多个发光二极管的正向电压互不相同；
步骤2、从多个光敏三极管中随机选择一个光敏三极管作为第一光敏三极管；其中，所述多个光敏三极管的发射区重掺杂度互不相同；
步骤3、在当前工作温度下，通过所述第一发光二级管接收输入电流，并通过所述第一光敏三极管输出对应的输出电流；根据所述输入电流和所述输出电流确定当前工作温度下的电流传输比；
步骤4、改变光电耦合器的工作温度，重复执行上述步骤3，依次得到不同工作温度下的电流传输比，生成电流传输比与温度的关系曲线；
步骤5、判断生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线是否匹配；
步骤6，若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，则将所述第一发光二级管作为光电耦合器的输入端，将所述第一光敏三极管作为光电耦合器的输出端；
步骤7，若生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线不匹配，则重新选择第二发光二级管和/或重新选择第二光敏三极管，重复执行上述步骤3-5，直至生成的电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配，并将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的发光二级管作为光电耦合器的输入端，将电流传输比与温度的关系曲线与预设曲线匹配时对应的光敏三极管作为光电耦合器的输出端；其中，所述第二发光二级管的正向电压小于所述第一发光二级管的正向电压，所述第二光敏三极管的发射区重掺杂度小于所述第一光敏三极管的发射区重掺杂度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设曲线用于指示：随温度的改变，电流传输比的稳定性满足预设稳定性标准。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入电流在所述随机选择的发光二级管和所述随机选择的光敏三极管之间通过透明绝缘体或空气传输。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
作为光电耦合器的输入端的发光二级管的正向电压满足如下条件：0.8V～1.5V。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电耦合器的工作温度满足如下条件：-15℃～85℃。
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