半導體光電器件的工作原理

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

　　一、 光電導器件

　　本章第一節(jié)曾介紹過半導體材料的光敏特性,即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,或說電導率增大的特性。這個現(xiàn)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叫光電導器件。

　　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 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,從而必變半導體的電導率。

　　光電導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。

　　這是一種半導體電阻。在沒有光照時,電阻很大;在一定波長范圍的光照下,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(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PN結,只是結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----空穴對叫光生載流子,它們參加導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)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。

　　光電二極管主要用于近紅外探測器及光電轉換的自動控制儀器中,還可以作為光導纖維通信的接收器件。

　　3.光電三極度管:

　　光電三極管的結構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,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

　　半導體PN結在受到光照射時能產(chǎn)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。

　　硅光電池就是一個大面積PN結。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,會向PN結方向擴散。擴散過程中,一部分電子和空穴復合消失,大部分擴散到PN結邊緣。在結電場的作用下,大部分光生空穴被電場推回P型區(qū)而不能穿越PN結;大部分光生電阻卻受到結電場的加速作用穿越PN結,到達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型號區(qū)的積累,會在在PN對的兩側產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電位差,這就是光生電動勢。當光電池兩端接有負載時,將有電流流過負載,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。

　　光電檢測器件----用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準直、電影還音等設備的光感受器。

　　光電控制器件----用作光電開關等光電控制設備的轉換器件。

　　三、半導體發(fā)光器件

　　半導體發(fā)光器件是一種將電能轉換成光能的器件。它包括發(fā)光二極管、紅外光源、半導體發(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PN結,并具有單向導電性。PN結加上正向電壓時,電子由N區(qū)渡越(擴散)到空間電荷區(qū)與空穴復合而釋放出能量。這些能量大部分以發(fā)光的形式出現(xiàn),因此,可以直接將電能轉換成光能。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色(波長),困半導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。可作燈光信號顯示、快速光源,也呆同時起整流和發(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的十個數(shù)字。這種半導體數(shù)字顯示管的優(yōu)點是體積小、耗電省、壽命長、響應速度快。它可以作為各種小型計算器及數(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---電轉換功能的光電耦合器。顯然,給耦合器輸入一個電信號,發(fā)光器件就發(fā)光,光被光接收器件接收后,又轉成換成電信號輸出。因為輸入主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(yōu)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點易疲勞的問題,可靠性很高。