第四章    光电半导体

光电半导体的体系

我们将使用半导体，将电气信号变换为光信号或反过来将光信号变换为电气信号的器件叫做光电半导体。光电半导体有各种种类。按照功能、动作原理、结构、用途分类，主要的光电半导体可以分为以下几类。

光电半导体的体系

发光二极管（LED）的动作原理

LED是放射光的二极管，流通电流的话，将发射可见光或红外线光。

L：Lingt

E:Emitting

D:Diode

动作原理：

LED是具有PN接合面的半导体。外加正向电压的话，电子将从N型区域，空穴将从P型区域向PN接合部分移动后再结合，电子带来的能量就转换为光。也就是说，自由电子和空穴进入结合状态时所产生的能量变成光后放射出来。

    光的颜色（光的波长）由半导体的种类和添加物决定，各种化合物半导体的用法如下。

主要LED用半导体的种类

发光二极管的结构

发光二极管的动作原理

发光二极管的图形记号

可见光LED的种类和使用方法

可见光LED属于诉诸于视觉的器件，因此针对颜色、形状、结构有各种种类

★LED灯

指用透明树脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等构成的LED芯片器件。发光的部分主要呈圆屋顶形状，可以根据用途转变为三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度LED的话，则可以获得5cd（烛光）以上的光量。

用 途

汽车用停止灯、铁路用信号机、道路信息板等

LED灯的外观

★SMD LED灯的外观

SMD LED是一种和一般的圆形LED灯相比，以小型薄型为特征的表面安装用器件。由于近年来电子设备小型化，需要急速增加。

用 途

手机、移动设备

SMD LED灯的外观

★白色LED

为了用LED作全色显示，必须采用发出3原色（红色、绿色、蓝色）光的LED。白色LED就是将各种发光芯片内置在1个封装内的器件。此外，还有在蓝色LED里内置补色荧光体，用蓝色以及蓝色能量激起的补色来发出白色光的器件。

用 途

全色液晶面板用背景光、低耗电灯

白色LED的原理

★LED显示器

指将LED芯片固定在印刷基板及金属引线上，用成形的树脂外壳封住数字及文字的器件。7段数字显示显器为代表器件。

用 途

．TV、TVR

．音响

．家用电器

．OA设备

LED显示器的外观

★显示用LED

除了高亮度化、多色化以外，还可以发挥所谓高可靠性、低耗电、高速应答性等LED特征，实现多色显示。安装多色显示。安装驱动LSI的点陈式显示为代表性器件。

用 途

．车站的目的地显示板

．各种信息显示板

．商场、棒球场、赛马场的室外大画面显示器

显示用LED的外观

激光半导体的动作和使用方法

激光半 体也被称为“激光二极管”（Leser Diode）.激光是一种通过诱导放出来将光放大的器件。而发出人眼可以识别的波长的叫做VLD(Visible Laser Diode).

动作原理

激光半导体（LD与LED不同，不是由注入的少数载子简单地重新结合起来，而是由于光的刺激而再结合起来，发出相位一致的光来）。    而且，芯片的一对端面呈镜面状，由激光共振器构成。光在该共振器内往返的过程中放大后，取出到芯片外部。

特征

因为LD的主体是被称为诱导放出的发光过程，因此可以得到波长及相位整齐集中在一起（相干性）的光。为此，指向性及能量集中性相当优良。

激光半导体的外观

激光半导体的动作原理

结晶的种类的振荡波长

使用的结晶材料不同，激光的振荡波长也不一样。大致可分为如左图所示几大类。而且，可以由1个器件发出2种不同波长振荡的二波长激光半导体也已经大量生产。

主要的应用领域

InGaAIP激光：光盘（DVD）、条形码读取头

GaAIAS激光：光盘（CD/MD）、激光束打印机

InGaAsP激光：光通信

InGaN激光：光盘（HD-DVD、蓝光光碟）

结晶的种类的振荡波长

激光半导体的封装结构

受光器件的种类和使用方法

半导体的基本机构之一PN接合部对光是非常敏感的。受光器件就是利用了这个特点，将光信号变换为电气信号（电流或电压）

★光电二极管

一旦光射入PN接合二极管，结合在晶格内的电子被解放，成为自由电子，会产生一对自由电子及空穴。反向电压引发的空乏层内，或者其附近由于光的照射而产生的自由电子和空穴对将会会离，成为强度与光的强弱成比例的反向电流。这就叫光电流。空乏层以外的区域产生的自由电子和空穴对会再次接合成为热，并消失。

用途

光传感器

摇控器（红外光受光）

检测出光的断开

 光电二极管的动作原理

光电二极管的图形记号

★太阳电池

利用光电二极管，将光能量变换为电气能量的器件即为太阳电池。    如果加了正向电压其电压仍然较低的话，由于电位势垒存在空乏层，因此光照射而产生的自由电子和空穴对会分离，在正向电压状态下会流出输出电流。在要求较高变换效率的用途中，使用单结晶硅或化合物半导体的GaAs等，在即使变换效率某种程度上较低，但要求大面积、低价格的用途中，使用非晶质硅等。

用途

钟、电子计算器

太阳光发电系统

★光电晶体管

可以视为光电二极管中安装放大器的晶体管。    形成基极、集电极的PN接合是一种感光的二极管。通过光，在这个接合面产生的光电流将向发射极流动。通过晶体管的放大作用，这种发射极电流将放大到最初光电流的几百倍。

用途

光电传感器

光电开关

 受光晶体管的外观

 光电晶体管的动作原理

 光电晶体管的图形记号

CCD图像传感器的动作和使用方法

这是将矩阵状分配的多个光电二极管和CCD集成到一起的光电传感器。CCD是一种将光电二极管内产生的面系列电荷依次转送并转换成时间系列的器件。(C：Charge   C:Couple     D:Device)

CCD的结构和动作原理

CCD具有形成于基板表面的N型不纯物层的上面像链条一样并排多个MOS型电极的结构。转发电极是重合2层或3层多晶硅的结构，尽可能缩小电极和电极的间隔形成。沿着排放的转发电极，施加以时钟脉冲的话，存在于电极之下的电荷将按顺序向旁边的电极之下移动。

CCD的结构

CCD图像传感器

在P型不纯物层的上部形成光电二极管、CCD、信号检测电路。光电二极管将光变换为电子（电荷），CCD将该电荷发送到信号检测电，电荷变换为电压信号。我们将光电二极管一维排列的传感器叫作线性传感器，将二维排列的传感器叫作面阵图像传感器。

 CCD图像传感器（线性）的外观

特征

高感应度

高解析度

低噪音

用途

图像扫描仪

多功能打印机

复印机

CMOS图像传感器的动作和使用方法

这是将矩阵状分配的多个光电二极管和MOS模拟开关集成到一起的光电传感器。矩阵状配置的MOS模拟开关是将光电二极管中产生的面系列电荷转换成时间系列的器件。

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器由半导体基板上的光电二极管和每个光电二极管形成的读取晶体管电路以及指定地址的扫描电路构成。读取在扫描电路上指定的光电二极管的电荷，然后在晶体管中依次作为输出信号读取。CCD图像传感器按照顺序转发电荷，输出图像信息，碉CMOS图像传感器将纵向和横向的晶体管动作组合后输出图像信息。

特征

低耗电

单一电源驱动

系统集成电路化简单

用途

插秧机、便携式信息终端机、数码相机、PC相机、图像辨识（指纹检测、二维条形码等）

CMOS图像传感器（面陈型）的外观

CMOS图像传感器的结构

CCD图像传感器和CMOS图像传感器的动作比较

光耦的动作和使用方法

这是一种将发光器件和受光器件进行光学性结合（耦合），安装在1个封装内的光复合器件。可以在电路和电路之间电气性绝缘的情况下传达信号。

内部结构

安装在个别框架内的发光器件（一般情况下为红外线LED）和受光器件在光结合的状态下放置，并且彩绝缘性的树脂塑膜定型。

光耦的内部结构

 动作原理

通过电气输入信号从发光器件（LED）放射出来的光通过受光器件再次变换为电气信号输出。输入信号和输出信号都是电气信号，但器件内部是通过光来执行信号传输的。因此，该器件的特征就是输入侧和输出侧电气性处于数千V的绝缘分离状态。

光耦的动作原理

种 类

根据应用电路，存在具有各种受光器件的光耦

晶体管输出

达林顿晶体管输出

晶闸管输出

三端双向可控硅输出

IC（逻辑）输出.

光耦的外观

光耦的种类

用 途

电子设备中，微控制器等直流电压系统、交流电压系统、电话线等不同的电源系统安装在相同的装置内，相互传达信号。

将这些不同的电源系统直接结合的话，可能会引起动作上或安全上各种故障，而如果使用光耦的话，可以在各电源系统之间绝缘的状态下传达信号。

家电产品、AV机器

电源、充电器

电话、计算机

光继电器的动作和使用方法

和光耦结构类似，而特别把用源极共通连接起来的2个MOSFET构成输出段的器件叫作光继电器。

光继电器的外观

动作原理

将受光器件的光电二极管作为太阳电池使用。红外线LED发射光的话，受光器件（太阳电池）就会产生光起电力。这个电力通过控制电路令MOSFET的栅极电压上升，就能让MOSFET进入ON状态。控制电路能缩短MOSFET的关闭时间，将OFF期间的栅极电压保持为0，防止MOSFET误启动。

光继电器的动作原理

特 征

作为对机器进行ON/OFF控制的器件，有机械式继电器（机械式接点）。光继电器和信号用机械式继电器相比，具有以下优点。

动作速度较快

无机械性磨损，寿命长

可以实现小型、薄型化

用 途

电话、交换机、调制解调器

测定器、测试器

光断路器的动作和使用方法

指以将发光器件和受光器件在套筒内一体化，通过光的遮光或反射以检测出物体为目的的器件。

光断路器的外观

★透过型光断路器

动作原理

保持某一间隔，使发光二极管和受光器件相对，通过受光侧的光量变化，以非接触的方法测出通过该间隔的物体。

透过型光断路器的结构

★反射型光断路器

动作原理

将发光二极管和受光器件配置在一个方向，通过物体将发光二极管的光反射，用受光器件进行检测。也叫做反射型光传感器。

反射型光断路器的结构

用 途

OA机器（打印机、复印机）

AV机器（VTR、唱机）

家电产品（电子微波炉、换气加热器）

光通讯用器件（OCD）和种类和使用方法

将发光侧（LED或激光二极管）的信号用光纤传送到受光侧（光电二极管）的光通信系统中所使用的就是光通讯用器件（OCD：Optical Communication Device）。

光通讯的原理

1）  输入电气信号通过发光器件变换为光信号。

2）  光信号通过光纤传输到受光器件。

3）  光信号经由受光器件转换为电气信号后输出。

光通讯的原理

光通讯的特征

和使用电线，保持电气信号的状态传输信号时，或通过电波传输时相比，具有以下特征。

光纤不受到电磁噪音的影响

不从光纤放射电磁噪音（信号不泄漏）

可以传输大容量信号

光通讯系统的种类和使用器件

光通讯系统大致可以分为以下几类。

光通讯用器件的外观（短*中距离用）

光通讯用器件的外观（中*长距离用）