半導體光電器件
2006/5/23 15:28:36 電源在線網
半導體光電器件是把光和電這兩種物理量聯系起來，使光和電互相轉化的新型半導體器件。光電器件主要包括利用半導體光敏特性工作的光電導器件，以及利用半導體光伏打效應工作的光電池和半導體發光器件等。
半導體材料的光敏特性，指當半導體材料受到一定波長光線的照射時，其電阻率明顯減小，換句話說也就是電導率增大的特性。上述現象也叫半導體的光電導特性，利用這個特性制作的半導體器件就稱為光電導器件。
半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子逃逸出來的電子及其留下的空位，也就是空穴。電子要從原子中逃逸出來，必須克服原子的束縛，而光照可以向電子提供所需的能量。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而必然會改變半導體的電導率。
光電導器件主要有光敏電阻、光電二極管和光電三極管等。光敏電阻是一種半導體電阻。在沒有光照時，電阻很大；在一定波長范圍的光照下，其電阻值明顯變小。制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銦、硫化鉛、硒化鎘、硒化鉛等。硫化鎘光敏電阻對可見光敏感，用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對X射線、γ射線也敏感；硫化鉛和銻化銦對紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測器。感光面積大的光敏電阻，可以獲得較大的明暗電阻差。如國產625-A型硫化鎘光敏電阻，其光照電阻小于50千歐，暗電阻大于50兆歐。光電二極管的管芯也是一個PN結，只是結面積比普通二極管大，便于接收光線。但與普通二極管不同的是，光電二極管是在反向電壓下工作的。在光線照射下產生的空穴對叫光生載流子，它們參與導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數量與光強度有關，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化，從而可以把光信號的變化轉為電流及電壓的變化。光電三極度管的結構與普通三極度管相同，但基區面積較大，便于接收更多的入射光線。入射光在基區激發出空穴時，形成基極電流，而集電極電流是基極電流β倍，因此光照便能有效地控制集電極電流。光電三極管比光電二極管有更高的靈敏度。
半導體PN結在受到光照射時能產生電動勢的效應，叫光伏打效應。硅光電池就是利用光伏打效應將光能直接換成電能的半導體器件。硅光電池的用途極度為廣泛，主要用于下述幾個方面：硅光電池串聯或并聯組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設備的電源，也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源；硅光電池可以作為近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準直、電影還音等設備的光感受器；硅光電池可以作為光電開關等光電控制設備的轉換器件。半導體發光器件是一種將電能轉換成光能的器件，主要包括發光二極管、紅外光源、半導體發光數字管等。發光二極管的管芯也是一個PN結，并具有單向導電性。PN結加上正向電壓時，電子由N區擴散到空間電荷區與空穴復合而釋放出能量。這些能量大部分以發光的形式出現，因此，可以直接將電能轉換成光能。發光二極管的發光顏色（波長），因半導體材料及摻雜成分不同而不同。常見的發光顏色為黃、綠、紅等顏色。發光二極管工作電壓很低（15～3伏），工作電流很小（10～30毫安）。
把磷化鎵發光管或磷化鎵發光管的管芯制成條狀，用七條發光管組成七段式數字顯示管，可以顯示從0到9的十個數字。這種半導體數字顯示管的優點是體積小、耗電省、壽命長、響應速度快，可以作為各種小型計算器及數字顯示儀表的數字顯示用。
把半導體發光器件和光敏器件組合封閉裝在一起，就組成了具有電－光－電轉換功能的光電耦合器。當給耦合器輸入一個電信號時，發光器件就會發光，光被光接收器件接收后，又被轉成換成電信號輸出。因為輸入－輸出之間用光進行耦合，所以輸出端對輸入端沒有反饋，具有優良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關，這種光電開關不存在繼電器中機械觸點疲勞的問題，因此可靠性很高。
半導體材料的光敏特性，指當半導體材料受到一定波長光線的照射時，其電阻率明顯減小，換句話說也就是電導率增大的特性。上述現象也叫半導體的光電導特性，利用這個特性制作的半導體器件就稱為光電導器件。
半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子逃逸出來的電子及其留下的空位，也就是空穴。電子要從原子中逃逸出來，必須克服原子的束縛，而光照可以向電子提供所需的能量。因此，光照可以改變載流子的濃度，從而必然會改變半導體的電導率。
光電導器件主要有光敏電阻、光電二極管和光電三極管等。光敏電阻是一種半導體電阻。在沒有光照時，電阻很大；在一定波長范圍的光照下，其電阻值明顯變小。制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銦、硫化鉛、硒化鎘、硒化鉛等。硫化鎘光敏電阻對可見光敏感，用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對X射線、γ射線也敏感；硫化鉛和銻化銦對紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測器。感光面積大的光敏電阻，可以獲得較大的明暗電阻差。如國產625-A型硫化鎘光敏電阻，其光照電阻小于50千歐，暗電阻大于50兆歐。光電二極管的管芯也是一個PN結，只是結面積比普通二極管大，便于接收光線。但與普通二極管不同的是，光電二極管是在反向電壓下工作的。在光線照射下產生的空穴對叫光生載流子，它們參與導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數量與光強度有關，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化，從而可以把光信號的變化轉為電流及電壓的變化。光電三極度管的結構與普通三極度管相同，但基區面積較大，便于接收更多的入射光線。入射光在基區激發出空穴時，形成基極電流，而集電極電流是基極電流β倍，因此光照便能有效地控制集電極電流。光電三極管比光電二極管有更高的靈敏度。
半導體PN結在受到光照射時能產生電動勢的效應，叫光伏打效應。硅光電池就是利用光伏打效應將光能直接換成電能的半導體器件。硅光電池的用途極度為廣泛，主要用于下述幾個方面：硅光電池串聯或并聯組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設備的電源，也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源；硅光電池可以作為近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準直、電影還音等設備的光感受器；硅光電池可以作為光電開關等光電控制設備的轉換器件。半導體發光器件是一種將電能轉換成光能的器件，主要包括發光二極管、紅外光源、半導體發光數字管等。發光二極管的管芯也是一個PN結，并具有單向導電性。PN結加上正向電壓時，電子由N區擴散到空間電荷區與空穴復合而釋放出能量。這些能量大部分以發光的形式出現，因此，可以直接將電能轉換成光能。發光二極管的發光顏色（波長），因半導體材料及摻雜成分不同而不同。常見的發光顏色為黃、綠、紅等顏色。發光二極管工作電壓很低（15～3伏），工作電流很小（10～30毫安）。
把磷化鎵發光管或磷化鎵發光管的管芯制成條狀，用七條發光管組成七段式數字顯示管，可以顯示從0到9的十個數字。這種半導體數字顯示管的優點是體積小、耗電省、壽命長、響應速度快，可以作為各種小型計算器及數字顯示儀表的數字顯示用。
把半導體發光器件和光敏器件組合封閉裝在一起，就組成了具有電－光－電轉換功能的光電耦合器。當給耦合器輸入一個電信號時，發光器件就會發光，光被光接收器件接收后，又被轉成換成電信號輸出。因為輸入－輸出之間用光進行耦合，所以輸出端對輸入端沒有反饋，具有優良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關，這種光電開關不存在繼電器中機械觸點疲勞的問題，因此可靠性很高。
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