光電半導(dǎo)體,光電半導(dǎo)體原理是什么?

我們將使用半導(dǎo)體，將電氣信號變換為光信號或反過來將光信號變換為電氣信號的器件叫做光電半導(dǎo)體。光電半導(dǎo)體有各種種類。按照功能、動作原理、結(jié)構(gòu)、用途分類，主要的光電半導(dǎo)體可以分為以下幾類。

光電半導(dǎo)體的體系

發(fā)光二極管（LED）的動作原理

LED是放射光的二極管，流通電流的話，將發(fā)射可見光或紅外線光。

L：Lingt

E:Emitting

D:Diode

動作原理：

LED是具有PN接合面的半導(dǎo)體。外加正向電壓的話，電子將從N型區(qū)域，空穴將從P型區(qū)域向PN接合部分移動后再結(jié)合，電子帶來的能量就轉(zhuǎn)換為光。也就是說，自由電子和空穴進入結(jié)合狀態(tài)時所產(chǎn)生的能量變成光后放射出來。

    光的顏色（光的波長）由半導(dǎo)體的種類和添加物決定，各種化合物半導(dǎo)體的用法如下。

主要LED用半導(dǎo)體的種類

發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管的動作原理

發(fā)光二極管的圖形記號

可見光LED的種類和使用方法

可見光LED屬于訴諸于視覺的器件，因此針對顏色、形狀、結(jié)構(gòu)有各種種類

★L(fēng)ED燈

指用透明樹脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等構(gòu)成的LED芯片器件。發(fā)光的部分主要呈圓屋頂形狀，可以根據(jù)用途轉(zhuǎn)變?yōu)槿切巍⑺慕切巍⑼剐蔚取Ｈ绻歉吡炼萀ED的話，則可以獲得5cd（燭光）以上的光量。

用 途

汽車用停止燈、鐵路用信號機、道路信息板等

LED燈的外觀

 

★SMD LED燈的外觀

SMD LED是一種和一般的圓形LED燈相比，以小型薄型為特征的表面安裝用器件。由于近年來電子設(shè)備小型化，需要急速增加。

用 途

手機、移動設(shè)備

SMD LED燈的外觀

★白色LED

為了用LED作全色顯示，必須采用發(fā)出3原色（紅色、綠色、藍色）光的LED。白色LED就是將各種發(fā)光芯片內(nèi)置在1個封裝內(nèi)的器件。此外，還有在藍色LED里內(nèi)置補色熒光體，用藍色以及藍色能量激起的補色來發(fā)出白色光的器件。

用 途

全色液晶面板用背景光、低耗電燈

白色LED的原理

 

★L(fēng)ED顯示器

指將LED芯片固定在印刷基板及金屬引線上，用成形的樹脂外殼封住數(shù)字及文字的器件。7段數(shù)字顯示顯器為代表器件。

用 途

．TV、TVR

．音響

．家用電器

．OA設(shè)備

LED顯示器的外觀

★顯示用LED

除了高亮度化、多色化以外，還可以發(fā)揮所謂高可靠性、低耗電、高速應(yīng)答性等LED特征，實現(xiàn)多色顯示。安裝多色顯示。安裝驅(qū)動LSI的點陳式顯示為代表性器件。

用 途

．車站的目的地顯示板

．各種信息顯示板

．商場、棒球場、賽馬場的室外大畫面顯示器

顯示用LED的外觀

激光半導(dǎo)體的動作和使用方法

激光半 體也被稱為“激光二極管”（Leser Diode）.激光是一種通過誘導(dǎo)放出來將光放大的器件。而發(fā)出人眼可以識別的波長的叫做VLD(Visible Laser Diode).

動作原理

激光半導(dǎo)體（LD與LED不同，不是由注入的少數(shù)載子簡單地重新結(jié)合起來，而是由于光的刺激而再結(jié)合起來，發(fā)出相位一致的光來）。    而且，芯片的一對端面呈鏡面狀，由激光共振器構(gòu)成。光在該共振器內(nèi)往返的過程中放大后，取出到芯片外部。

特征

因為LD的主體是被稱為誘導(dǎo)放出的發(fā)光過程，因此可以得到波長及相位整齊集中在一起（相干性）的光。為此，指向性及能量集中性相當(dāng)優(yōu)良。

激光半導(dǎo)體的外觀

激光半導(dǎo)體的動作原理

結(jié)晶的種類的振蕩波長

使用的結(jié)晶材料不同，激光的振蕩波長也不一樣。大致可分為如左圖所示幾大類。而且，可以由1個器件發(fā)出2種不同波長振蕩的二波長激光半導(dǎo)體也已經(jīng)大量生產(chǎn)。

主要的應(yīng)用領(lǐng)域

InGaAIP激光：光盤（DVD）、條形碼讀取頭

GaAIAS激光：光盤（CD/MD）、激光束打印機

InGaAsP激光：光通信

InGaN激光：光盤（HD-DVD、藍光光碟）

結(jié)晶的種類的振蕩波長

激光半導(dǎo)體的封裝結(jié)構(gòu)

受光器件的種類和使用方法

半導(dǎo)體的基本機構(gòu)之一PN接合部對光是非常敏感的。受光器件就是利用了這個特點，將光信號變換為電氣信號（電流或電壓）

★光電二極管

一旦光射入PN接合二極管，結(jié)合在晶格內(nèi)的電子被解放，成為自由電子，會產(chǎn)生一對自由電子及空穴。反向電壓引發(fā)的空乏層內(nèi)，或者其附近由于光的照射而產(chǎn)生的自由電子和空穴對將會會離，成為強度與光的強弱成比例的反向電流。這就叫光電流。空乏層以外的區(qū)域產(chǎn)生的自由電子和空穴對會再次接合成為熱，并消失。

用途

光傳感器

搖控器（紅外光受光）

檢測出光的斷開

 光電二極管的動作原理

光電二極管的圖形記號

★太陽電池

利用光電二極管，將光能量變換為電氣能量的器件即為太陽電池。    如果加了正向電壓其電壓仍然較低的話，由于電位勢壘存在空乏層，因此光照射而產(chǎn)生的自由電子和空穴對會分離，在正向電壓狀態(tài)下會流出輸出電流。在要求較高變換效率的用途中，使用單結(jié)晶硅或化合物半導(dǎo)體的GaAs等，在即使變換效率某種程度上較低，但要求大面積、低價格的用途中，使用非晶質(zhì)硅等。

用途

鐘、電子計算器

太陽光發(fā)電系統(tǒng)

★光電晶體管

可以視為光電二極管中安裝放大器的晶體管。    形成基極、集電極的PN接合是一種感光的二極管。通過光，在這個接合面產(chǎn)生的光電流將向發(fā)射極流動。通過晶體管的放大作用，這種發(fā)射極電流將放大到最初光電流的幾百倍。

用途

光電傳感器

光電開關(guān)

 受光晶體管的外觀

 光電晶體管的動作原理

 光電晶體管的圖形記號

CCD圖像傳感器的動作和使用方法

這是將矩陣狀分配的多個光電二極管和CCD集成到一起的光電傳感器。CCD是一種將光電二極管內(nèi)產(chǎn)生的面系列電荷依次轉(zhuǎn)送并轉(zhuǎn)換成時間系列的器件。(C：Charge   C:Couple     D:Device)

CCD的結(jié)構(gòu)和動作原理

CCD具有形成于基板表面的N型不純物層的上面像鏈條一樣并排多個MOS型電極的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)電極是重合2層或3層多晶硅的結(jié)構(gòu)，盡可能縮小電極和電極的間隔形成。沿著排放的轉(zhuǎn)發(fā)電極，施加以時鐘脈沖的話，存在于電極之下的電荷將按順序向旁邊的電極之下移動。

CCD的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器

在P型不純物層的上部形成光電二極管、CCD、信號檢測電路。光電二極管將光變換為電子（電荷），CCD將該電荷發(fā)送到信號檢測電，電荷變換為電壓信號。我們將光電二極管一維排列的傳感器叫作線性傳感器，將二維排列的傳感器叫作面陣圖像傳感器。

 CCD圖像傳感器（線性）的外觀

特征

高感應(yīng)度

高解析度

低噪音

用途

圖像掃描儀

多功能打印機

復(fù)印機

CMOS圖像傳感器的動作和使用方法

這是將矩陣狀分配的多個光電二極管和MOS模擬開關(guān)集成到一起的光電傳感器。矩陣狀配置的MOS模擬開關(guān)是將光電二極管中產(chǎn)生的面系列電荷轉(zhuǎn)換成時間系列的器件。

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器由半導(dǎo)體基板上的光電二極管和每個光電二極管形成的讀取晶體管電路以及指定地址的掃描電路構(gòu)成。讀取在掃描電路上指定的光電二極管的電荷，然后在晶體管中依次作為輸出信號讀取。CCD圖像傳感器按照順序轉(zhuǎn)發(fā)電荷，輸出圖像信息，碉CMOS圖像傳感器將縱向和橫向的晶體管動作組合后輸出圖像信息。

特征

低耗電

單一電源驅(qū)動

系統(tǒng)集成電路化簡單

用途

插秧機、便攜式信息終端機、數(shù)碼相機、PC相機、圖像辨識（指紋檢測、二維條形碼等）

CMOS圖像傳感器（面陳型）的外觀

CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的動作比較

光耦的動作和使用方法

這是一種將發(fā)光器件和受光器件進行光學(xué)性結(jié)合（耦合），安裝在1個封裝內(nèi)的光復(fù)合器件。可以在電路和電路之間電氣性絕緣的情況下傳達信號。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

安裝在個別框架內(nèi)的發(fā)光器件（一般情況下為紅外線LED）和受光器件在光結(jié)合的狀態(tài)下放置，并且彩絕緣性的樹脂塑膜定型。

光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 動作原理

通過電氣輸入信號從發(fā)光器件（LED）放射出來的光通過受光器件再次變換為電氣信號輸出。輸入信號和輸出信號都是電氣信號，但器件內(nèi)部是通過光來執(zhí)行信號傳輸?shù)摹Ｒ虼耍撈骷奶卣骶褪禽斎雮?cè)和輸出側(cè)電氣性處于數(shù)千V的絕緣分離狀態(tài)。

光耦的動作原理

種 類

根據(jù)應(yīng)用電路，存在具有各種受光器件的光耦

晶體管輸出

達林頓晶體管輸出

晶閘管輸出

三端雙向可控硅輸出

IC（邏輯）輸出.

光耦的外觀

光耦的種類

用 途

電子設(shè)備中，微控制器等直流電壓系統(tǒng)、交流電壓系統(tǒng)、電話線等不同的電源系統(tǒng)安裝在相同的裝置內(nèi)，相互傳達信號。

將這些不同的電源系統(tǒng)直接結(jié)合的話，可能會引起動作上或安全上各種故障，而如果使用光耦的話，可以在各電源系統(tǒng)之間絕緣的狀態(tài)下傳達信號。

家電產(chǎn)品、AV機器

電源、充電器

電話、計算機

光繼電器的動作和使用方法

和光耦結(jié)構(gòu)類似，而特別把用源極共通連接起來的2個MOSFET構(gòu)成輸出段的器件叫作光繼電器。

光繼電器的外觀

 

動作原理

將受光器件的光電二極管作為太陽電池使用。紅外線LED發(fā)射光的話，受光器件（太陽電池）就會產(chǎn)生光起電力。這個電力通過控制電路令MOSFET的柵極電壓上升，就能讓MOSFET進入ON狀態(tài)。控制電路能縮短MOSFET的關(guān)閉時間，將OFF期間的柵極電壓保持為0，防止MOSFET誤啟動。

光繼電器的動作原理

特 征

作為對機器進行ON/OFF控制的器件，有機械式繼電器（機械式接點）。光繼電器和信號用機械式繼電器相比，具有以下優(yōu)點。

動作速度較快

無機械性磨損，壽命長

可以實現(xiàn)小型、薄型化

用 途

電話、交換機、調(diào)制解調(diào)器

測定器、測試器

光斷路器的動作和使用方法

指以將發(fā)光器件和受光器件在套筒內(nèi)一體化，通過光的遮光或反射以檢測出物體為目的的器件。

光斷路器的外觀

★透過型光斷路器

動作原理

保持某一間隔，使發(fā)光二極管和受光器件相對，通過受光側(cè)的光量變化，以非接觸的方法測出通過該間隔的物體。

透過型光斷路器的結(jié)構(gòu)

★反射型光斷路器

動作原理

將發(fā)光二極管和受光器件配置在一個方向，通過物體將發(fā)光二極管的光反射，用受光器件進行檢測。也叫做反射型光傳感器。

反射型光斷路器的結(jié)構(gòu)

用 途

OA機器（打印機、復(fù)印機）

AV機器（VTR、唱機）

家電產(chǎn)品（電子微波爐、換氣加熱器）

光通訊用器件（OCD）和種類和使用方法

將發(fā)光側(cè)（LED或激光二極管）的信號用光纖傳送到受光側(cè)（光電二極管）的光通信系統(tǒng)中所使用的就是光通訊用器件（OCD：Optical Communication Device）。

光通訊的原理

1）  輸入電氣信號通過發(fā)光器件變換為光信號。

2）  光信號通過光纖傳輸?shù)绞芄馄骷?

3）  光信號經(jīng)由受光器件轉(zhuǎn)換為電氣信號后輸出。

光通訊的原理

光通訊的特征

和使用電線，保持電氣信號的狀態(tài)傳輸信號時，或通過電波傳輸時相比，具有以下特征。

光纖不受到電磁噪音的影響

不從光纖放射電磁噪音（信號不泄漏）

可以傳輸大容量信號

光通訊系統(tǒng)的種類和使用器件

光通訊系統(tǒng)大致可以分為以下幾類。

光通訊用器件的外觀（短*中距離用）