光電半導體,光電半導體原理是什么?

光電半導體的體系

我們將使用半導體，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體。光電半導體有各種種類。按照功能、動作原理、結構、用途分類，主要的光電半導體可以分為以下幾類。

光電半導體的體系

發光二極管（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接合面的半導體。外加正向電壓的話，電子將從N型區域，空穴將從P型區域向PN接合部分移動后再結合，電子帶來的能量就轉換為光。也就是說，自由電子和空穴進入結合狀態時所產生的能量變成光后放射出來。

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

主要LED用半導體的種類

發光二極管的結構

發光二極管的動作原理

發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、結構有各種種類

★LED燈

指用透明樹脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等構成的LED芯片器件。發光的部分主要呈圓屋頂形狀，可以根據用途轉變為三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度LED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。由于近年來電子設備小型化，需要急速增加。

用 途

手機、移動設備

SMD LED燈的外觀

★白色LED

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

用 途

全色液晶面板用背景光、低耗電燈

白色LED的原理

 

★LED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字及文字的器件。7段數字顯示顯器為代表器件。

用 途

．TV、TVR

．音響

．家用電器

．OA設備

LED顯示器的外觀

★顯示用LED

除了高亮度化、多色化以外，還可以發揮所謂高可靠性、低耗電、高速應答性等LED特征，實現多色顯示。安裝多色顯示。安裝驅動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放出來將光放大的器件。而發出人眼可以識別的波長的叫做VLD(Visible Laser Diode).

動作原理

激光半導體（LD與LED不同，不是由注入的少數載子簡單地重新結合起來，而是由于光的刺激而再結合起來，發出相位一致的光來）。    而且，芯片的一對端面呈鏡面狀，由激光共振器構成。光在該共振器內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放出的發光過程，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優良。

激光半導體的外觀

激光半導體的動作原理

結晶的種類的振蕩波長

使用的結晶材料不同，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個器件發出2種不同波長振蕩的二波長激光半導體也已經大量生產。

主要的應用領域

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）

結晶的種類的振蕩波長

激光半導體的封裝結構

受光器件的種類和使用方法

半導體的基本機構之一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，結合在晶格內的電子被解放，成為自由電子，會產生一對自由電子及空穴。反向電壓引發的空乏層內，或者其附近由于光的照射而產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。空乏層以外的區域產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，因此光照射而產生的自由電子和空穴對會分離，在正向電壓狀態下會流出輸出電流。在要求較高變換效率的用途中，使用單結晶硅或化合物半導體的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，使用非晶質硅等。

用途

鐘、電子計算器

太陽光發電系統

★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，在這個接合面產生的光電流將向發射極流動。通過晶體管的放大作用，這種發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

 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產生的面系列電荷依次轉送并轉換成時間系列的器件。(C：Charge   C:Couple     D:Device)

CCD的結構和動作原理

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型電極的結構。轉發電極是重合2層或3層多晶硅的結構，盡可能縮小電極和電極的間隔形成。沿著排放的轉發電極，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的結構

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

高感應度

高解析度

低噪音

用途

圖像掃描儀

多功能打印機

復印機

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模擬開關集成到一起的光電傳感器。矩陣狀配置的MOS模擬開關是將光電二極管中產生的面系列電荷轉換成時間系列的器件。

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器由半導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發電荷，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

單一電源驅動

系統集成電路化簡單

用途

插秧機、便攜式信息終端機、數碼相機、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圖像傳感器的結構

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

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

內部結構

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

光耦的內部結構

 動作原理

通過電氣輸入信號從發光器件（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，但器件內部是通過光來執行信號傳輸的。因此，該器件的特征就是輸入側和輸出側電氣性處于數千V的絕緣分離狀態。

光耦的動作原理

種 類

根據應用電路，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

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

將這些不同的電源系統直接結合的話，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，可以在各電源系統之間絕緣的狀態下傳達信號。

家電產品、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

和光耦結構類似，而特別把用源極共通連接起來的2個MOSFET構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發射光的話，受光器件（太陽電池）就會產生光起電力。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。控制電路能縮短MOSFET的關閉時間，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，具有以下優點。

動作速度較快

無機械性磨損，壽命長

可以實現小型、薄型化

用 途

電話、交換機、調制解調器

測定器、測試器

光斷路器的動作和使用方法

指以將發光器件和受光器件在套筒內一體化，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，使發光二極管和受光器件相對，通過受光側的光量變化，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構

★反射型光斷路器

動作原理

將發光二極管和受光器件配置在一個方向，通過物體將發光二極管的光反射，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構

用 途

OA機器（打印機、復印機）

AV機器（VTR、唱機）

家電產品（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

將發光側（LED或激光二極管）的信號用光纖傳送到受光側（光電二極管）的光通信系統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光器件變換為光信號。

2）  光信號通過光纖傳輸到受光器件。

3）  光信號經由受光器件轉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

光通訊系統的種類和使用器件

光通訊系統大致可以分為以下幾類。

光通訊用器件的外觀（短*中距離用）

光通訊用器件的外觀（中*長距離用）