光半導體——光半導體器件的分類1

光半導體器件是利用半導體光-電子（或電-光子）轉(zhuǎn)換效應(yīng)制成的各種功能器件，從早期的被動式光接收和光轉(zhuǎn)換器件，到后期的主動式光學應(yīng)用器件，光半導體器件組合應(yīng)用的功能在某些方面（如光通信、光信息處理等）正在擴展電子學難以執(zhí)行的功能。

目前主要的光半導體類型有如下三種，分別是：
（1）發(fā)光器件比如可見光LED、紅外LED、紫外LED、激光二極管；
（2）受光器件以光傳感器、太陽能電池、CMOS傳感器為代表。

（3）復合器件（發(fā)光元件與受光元件的組合）比較常見的是光耦、光纖耦合器。

圖1 光半導體器件的分類

今天的芝識課堂我們就帶大家一起了解各種光半導體器件的基本應(yīng)用知識。

LED的發(fā)光原理與波長范圍

發(fā)光二極管（LED）是最常見的光半導體器件， LED的發(fā)光原理是向化合物半導體的pn結(jié)施加正向電流。當正向電流通過發(fā)光二極管時，載流子（電子和空穴）移動。p型區(qū)的空穴向n型區(qū)移動，n型區(qū)的電子向p型區(qū)移動。注入的載流子重組，重組前后的能量差將以光的形式釋放出來。****光取決于化合物半導體的能隙（Eg）。（備注：傳統(tǒng)的硅二極管不發(fā)光，因為重組能量變成了熱能。）

圖 2 LED的發(fā)光原理

LED依靠****光的波長不同來顯示不同的顏色，LED不僅可以****可見光，還可以產(chǎn)生紫外光乃至紅外光。****波長將通過下面采用化合物半導體材料能隙（Eg）的等式進行表示。

λ（nm）＝1240/E_g（eV）

具有較大能隙的材料****較短的波長，具有較小能隙的材料****較長的波長。
對于應(yīng)用于電視遙控器等的紅外LED，使用GaAs（砷化鎵）材料；對于紅色／綠色指示器LED，使用GaP（磷化鎵）或InGaAlP（磷化鋁鎵銦）；對于藍色LED，使用InGaN（氮化銦鎵）或GaN（氮化鎵）。

表1  LED的發(fā)光波長范圍

光耦的基本介紹

 除了LED之外，光耦也是一種應(yīng)用廣泛的光半導體器件。光耦合器作為一種比較常見的隔離控制器件，把發(fā)光元件（LED）和光電探測器（光敏元件）封裝于同一殼體中確保了不受外界干擾，通過發(fā)光元件將電信號轉(zhuǎn)換為光，并通過光接收元件接收光，以此實現(xiàn)信號傳遞的絕緣元件。與其它光學器件不同，光不會****至封裝外。雖然光耦是一種光學器件，但它不處理光，而是處理電信號。光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。在復雜的工業(yè)系統(tǒng)中，由于光耦器件體積小,響應(yīng)速度快,隔離效果好和具有較強的抗干擾能力，因此它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。

光耦的操作實例流程比較直觀，第一步是LED接通（0?1），隨后LED光進入光電晶體管，這使得光電晶體管接通，導致的結(jié)果是輸出電壓改變0?1。與之逆向的過程是首先LED關(guān)斷（1?0），然后LED光停止進入光電晶體管，從而光電晶體管關(guān)斷，這使得輸出電壓改變1?0。

圖3 一個采用雙模結(jié)構(gòu)的透射型晶體管輸出光耦。

下一期的芝識課堂我們將跟大家深入介紹光耦的類型與安全標準，敬請關(guān)注！