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半导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应,叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。
图表3-31是硅光电池的结构和电路符号图。从图中可见硅光电池就是一个大面积PN结。光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴,会向PN结方向扩散。扩散过程中,一部分电子和空穴复合消失,大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下,大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结;大部分光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结,到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型号区的积累,会在在PN对的两侧产生一个稳定的电位差,这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时,将有电流流过负载,起着电池的作用。
硅光电池的用途极度为广泛。主要用于下述几个方面:
能源----硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造成卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源;也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。
光电检测器件----用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、电影还音等设备的光感受器。
光电控制器件----用作光电开关等光电控制设备的转换器件。
半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数字管等。
1·发光二极管
发光二极管的管芯也是一个PN结,并具有单向导电性。PN结加上正向电压时,电子由N区渡越(扩散)到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现,因此,可以直接将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色(波长),困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。
发光二极管工作电压很低(1 5-3伏),工作电流很小(10-30毫安),耗电极省。可作灯光信号显示、快速光源,也呆同时起整流和发光两种作用。
图表-22是发光二极管的外形用符号图。
2·发光数字管
把磷化镓发光管或磷化镓发光管的管芯制成条状,用七条发光管组成七段式数字显示管,可以显示从0到9的十个数字。这种半导体数字显示管的优点是体积小、耗电省、寿命长、响应速度快。它可以作为各种小型计算器及数字显示仪表的数字显示用。
图:3-33为半导体发光数码管的示意图。
3·光电耦合器
把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起,就组成了具有电---光---电转换功能的光电耦合器。显然,给耦合器输入一个电信号,发光器件就发光,光被光接收器件接收后,又转成换成电信号输出。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈,具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关,这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题,可靠性很高。2100433B
本章第一节曾介绍过半导体材料的光敏特性,即当半导体材料受到一定波长光线的照射时,其电阻率明显减小,或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。
半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子逃逸出来的电子及其留下的空位----- 空穴。电子从原子中逃逸出来,必须克服原子的束缚而做功,而光照正是向电子提供能量,使它有能力逃逸出来的一种形式。因此,光照可以改变载流子的浓度,从而改变半导体的电导率。
光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管光电三极管等。
1·光敏电阻
这是一种半导体电阻。在没有光照时,电阻很大;在一定波长范围的光照下,电阻值明显变小。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感,用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、γ射线也敏感;硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。
感光面积大的光敏电阻,可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻,其光照电阻小于50千欧,暗电阻大于50兆欧。
2·光电二极管
光电二极管的管芯也是一个PN结,只是结面积比普通二极管大,便于接收光线。但和普通二极管不同,光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小,只有0 1微安左右。在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子,它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关,因此,反向饱和电流会随着光强的变化而变化,从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。
光电二极管的结构及符号如图表-29所示。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中,还可以作为光导纤维通信的接收器件。
3·光电三极管
光电三极管的结构与普通三极度管相同,但基区面积较大,便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子----空穴时,形成基极电流,而集电极电流是基极电流β倍,因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。
图表-30示出了光电三极管的结构和符号。
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二极管的基本特性就是单向导电性。检修测量时通过两个方向的截止和导通情况来判断是否损坏。二极管的主要参数有反向电压、持续正向电流、正向导通电压、耗散功率和反向恢复时间(决定适用工作频率)。不同型号的二极...
半导体元器件(semiconductor device)通常,这些半导体材料是硅、锗或砷化镓,可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别,有时也称为分立器件。绝大部分二端...
氧化锌基材料、异质结构及光电器件
Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家"973"项目(2011CB302000)研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。
光电探测器的功能是把微弱的光信号转换成电信号,然后经过放大器将电信号放大,从而达到检测光信号的目的。光敏电阻是最早发展的一种光电探测器。它利用了半导体受光照后电阻变小的效应。此外,光电二极管、光电池都可以用作光电探测元件。十分微弱的光信号,可以用雪崩光电二极管来探测。它是把一个PN结偏置在接近雪崩的偏压下,微弱光信号所激发的少量载流子通过接近雪崩的强场区,由于碰撞电离而数量倍增,因而得到一个较大的电信号。除了光电探测器外,还有与它类似的用半导体制成的粒子探测器。
半导体发光二极管的结构是一个PN结,它正向通电流时,注入的少数载流子靠复合而发光。它可以发出绿光、黄光、红光和红外线等。所用的材料有 GaP、GaAs、GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等。
如果使高效率的半导体发光管的发光区处在一个光学谐振腔内,则可以得到激光输出。这种器件称为半导体激光器或注入式激光器。最早的半导体激光器所用的PN结是同质结,以后采用双异质结结构。双异质结激光器的优点在于它可以使注入的少数载流子被限制在很薄的一层有源区内复合发光,同时由双异质结结构组成的光导管又可以使产生的光子也被限制在这层有源区内。因此双异质结激光器有较低的阈值电流密度,可以在室温下连续工作。
当光线投射到一个PN结上时,由光激发的电子空穴对受到PN结附近的内在电场的作用而向相反方向分离,因此在PN结两端产生一个电动势,这就成为一个光电池。把日光转换成电能的日光电池很受人们重视。最先应用的日光电池都是用硅单晶制造的,成本太高,不能大量推广使用。国际上都在寻找成本低的日光电池,用的材料有多晶硅和无定形硅等。
利用半导体的其他特性做成的器件还有热敏电阻、霍耳器件、压敏元件、气敏晶体管和表面波器件等。
本书分为5章,首先介绍光电器件的基础知识和光电器件的发展趋势,然后介绍光电检测器件、半导体激光器件、光电成像器件和光电显示器件等光电器件的结构、符号、工作原理、工作特性和各类器件在各方面的应用,特别详细介绍了LED显示屏的组装、调试、安装、维护、维修等。本书为光电专业必修课教材,为学习其他专业课奠定了必要的基础。本书是理论和实践相结合的一体化教材,设计了9个技能实训项目,内容广泛,设计了知识拓展使得内容更丰富。
《光电器件基础与应用》内容分为两大部分,第一部分介绍各种半导体发光、受光器件的基本知识,以及在传感技术、测量技术中的应用;第二部分主要介绍以0PIC为代表的、发光器件与受光器件的组合应用,例如光耦合器、光断续器、固体继电器、IrDA器等。《光电器件基础与应用》内容与时俱进,实用性强,可以作为半导体器件、光电子、传感技术等专业本科生、研究生的教学参考书,也可供相关领域工程技术人员参考。