半導(dǎo)體光電器件的工作原理

半導(dǎo)體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來,使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。光電器件主要有,利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件,利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。這一節(jié)中簡(jiǎn)略地向大家介紹一下這些光電器件的工作原理。

　　一、 光電導(dǎo)器件

　　本章第一節(jié)曾介紹過半導(dǎo)體材料的光敏特性,即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一定波長(zhǎng)光線的照射時(shí),其電阻率明顯減小,或說電導(dǎo)率增大的特性。這個(gè)現(xiàn)象也叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個(gè)特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。

　　半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導(dǎo)體原子 逸出來的電子及其留下的空位----- 空穴。電從原子中逃逸出來,必須吉兇服原子的束縛而做功,而光照正是向電子提供能量,使它有能力逃逸出來的一種形式。因此,光照可以改變載流子的濃度,從而必變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

　　光電導(dǎo)器件主要有光敏電阻、光電二極管光電三極管等。

　　1.光敏電阻。

　　這是一種半導(dǎo)體電阻。在沒有光照時(shí),電阻很大;在一定波長(zhǎng)范圍的光照下,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(duì)可見光敏感,用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對(duì)X射線、Γ射線也敏感;硫化鉛和銻化銦對(duì)紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測(cè)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(guó)產(chǎn)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。

　　2.光電二極管

　　光電二極管的管芯也是一個(gè)PN結(jié),只是結(jié)面積比普通二極管大,便于接收光線。但和普通二極管不同,光電二極管是在反向電壓下工作的。它的暗電流很小,只有0 1微安左右。在光線照射下產(chǎn)生的電子----空穴對(duì)叫光生載流子,它們參加導(dǎo)電會(huì)增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強(qiáng)度有關(guān),因此,反向飽和電流會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而變化,從而可以把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)為電流及電壓的變化。

　　光電二極管主要用于近紅外探測(cè)器及光電轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制儀器中,還可以作為光導(dǎo)纖維通信的接收器件。

　　3.光電三極度管:

　　光電三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極度管相同,但基區(qū)面積較大,便函于接收更多的入射光線。入射光在基區(qū)激發(fā)出電子----空穴時(shí),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。二、光伏打器件----硅光電池

　　半導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照射時(shí)能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng),叫光伏打效應(yīng)。硅光電池就是利用光伏打效應(yīng)將光能直接換成電能的半導(dǎo)體器件。

　　硅光電池就是一個(gè)大面積PN結(jié)。光照可以使薄薄的P型區(qū)產(chǎn)生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴,會(huì)向PN結(jié)方向擴(kuò)散。擴(kuò)散過程中,一部分電子和空穴復(fù)合消失,大部分?jǐn)U散到PN結(jié)邊緣。在結(jié)電場(chǎng)的作用下,大部分光生空穴被電場(chǎng)推回P型區(qū)而不能穿越PN結(jié);大部分光生電阻卻受到結(jié)電場(chǎng)的加速作用穿越PN結(jié),到達(dá)N型區(qū)。隨著光生電子在N型區(qū)的積累及光生空穴在P型號(hào)區(qū)的積累,會(huì)在在PN對(duì)的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電位差,這就是光生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光電池兩端接有負(fù)載時(shí),將有電流流過負(fù)載,起著電池的作用。

　　硅光電池的用途極度為廣泛。主要用于下述幾個(gè)方面:

　　能源----硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛(wèi)星、宇宙飛船、航標(biāo)燈、無人氣象站等設(shè)備的電源;也可做電子手表、電子計(jì)算器、小型號(hào)汽車、游艇等的電源。

　　光電檢測(cè)器件----用作近紅外探測(cè)器、光電讀出、光電耦合、激光準(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。

　　光電控制器件----用作光電開關(guān)等光電控制設(shè)備的轉(zhuǎn)換器件。

　　三、半導(dǎo)體發(fā)光器件

　　半導(dǎo)體發(fā)光器件是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。它包括發(fā)光二極管、紅外光源、半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)字管等。

　　1.發(fā)光二極管

　　發(fā)光二極管的管芯也是一個(gè)PN結(jié),并具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)加上正向電壓時(shí),電子由N區(qū)渡越(擴(kuò)散)到空間電荷區(qū)與空穴復(fù)合而釋放出能量。這些能量大部分以發(fā)光的形式出現(xiàn),因此,可以直接將電能轉(zhuǎn)換成光能。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色(波長(zhǎng)),困半導(dǎo)體材料及摻雜成分不同而不同。常用的有黃、綠、紅等顏色的發(fā)光二極管。

　　發(fā)光二極管工作電壓很低(1 5-3伏),工作電流很小(10-30毫安),耗電極省?？勺鳠艄庑盘?hào)顯示、快速光源,也呆同時(shí)起整流和發(fā)光兩種作用。

　　2.發(fā)光數(shù)字管

　　把磷化鎵發(fā)光管或磷化鎵發(fā)光管的管芯制成條狀,用七條發(fā)光管組成七段式數(shù)字顯示管,可以顯示從0到9的十個(gè)數(shù)字。這種半導(dǎo)體數(shù)字顯示管的優(yōu)點(diǎn)是體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快。它可以作為各種小型計(jì)算器及數(shù)字顯示儀表的數(shù)字顯示用。

　　3.光電耦合器

　　把半導(dǎo)體發(fā)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(zhuǎn)換功能的光電耦合器。顯然,給耦合器輸入一個(gè)電信號(hào),發(fā)光器件就發(fā)光,光被光接收器件接收后,又轉(zhuǎn)成換成電信號(hào)輸出。因?yàn)檩斎胫鬏敵鲋g用光進(jìn)行耦合。所以輸出端對(duì)輸入端沒有反饋,具有優(yōu)良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關(guān),這種光電開關(guān)不存在繼電器中機(jī)械點(diǎn)易疲勞的問題,可靠性很高。