我們將使用半導(dǎo)體，將電氣信號(hào)變換為光信號(hào)或反過(guò)來(lái)將光信號(hào)變換為電氣信號(hào)的器件叫做光電半導(dǎo)體。光電半導(dǎo)體有各種種類。按照功能、動(dòng)作原理、結(jié)構(gòu)、用途分類，主要的光電半導(dǎo)體可以分為以下幾類。

光電半導(dǎo)體的體系

發(fā)光二極管（LED）的動(dòng)作原理

LED是放射光的二極管，流通電流的話，將發(fā)射可見(jiàn)光或紅外線光。

L：Lingt

E:Emitting

D:Diode

動(dòng)作原理：

LED是具有PN接合面的半導(dǎo)體。外加正向電壓的話，電子將從N型區(qū)域，空穴將從P型區(qū)域向PN接合部分移動(dòng)后再結(jié)合，電子帶來(lái)的能量就轉(zhuǎn)換為光。也就是說(shuō)，自由電子和空穴進(jìn)入結(jié)合狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的能量變成光后放射出來(lái)。

    光的顏色（光的波長(zhǎng)）由半導(dǎo)體的種類和添加物決定，各種化合物半導(dǎo)體的用法如下。

主要LED用半導(dǎo)體的種類

發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管的動(dòng)作原理

發(fā)光二極管的圖形記號(hào)

可見(jiàn)光LED的種類和使用方法

可見(jiàn)光LED屬于訴諸于視覺(jué)的器件，因此針對(duì)顏色、形狀、結(jié)構(gòu)有各種種類

★L(fēng)ED燈

指用透明樹(shù)脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等構(gòu)成的LED芯片器件。發(fā)光的部分主要呈圓屋頂形狀，可以根據(jù)用途轉(zhuǎn)變?yōu)槿切?、四角形、凸形等。如果是高亮度LED的話，則可以獲得5cd（燭光）以上的光量。

用 途

汽車用停止燈、鐵路用信號(hào)機(jī)、道路信息板等

LED燈的外觀

 

★SMD LED燈的外觀

SMD LED是一種和一般的圓形LED燈相比，以小型薄型為特征的表面安裝用器件。由于近年來(lái)電子設(shè)備小型化，需要急速增加。

用 途

手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備

SMD LED燈的外觀

★白色LED

為了用LED作全色顯示，必須采用發(fā)出3原色（紅色、綠色、藍(lán)色）光的LED。白色LED就是將各種發(fā)光芯片內(nèi)置在1個(gè)封裝內(nèi)的器件。此外，還有在藍(lán)色LED里內(nèi)置補(bǔ)色熒光體，用藍(lán)色以及藍(lán)色能量激起的補(bǔ)色來(lái)發(fā)出白色光的器件。

用 途

全色液晶面板用背景光、低耗電燈

白色LED的原理

 

★L(fēng)ED顯示器

指將LED芯片固定在印刷基板及金屬引線上，用成形的樹(shù)脂外殼封住數(shù)字及文字的器件。7段數(shù)字顯示顯器為代表器件。

用 途

．TV、TVR

．音響

．家用電器

．OA設(shè)備

LED顯示器的外觀

★顯示用LED

除了高亮度化、多色化以外，還可以發(fā)揮所謂高可靠性、低耗電、高速應(yīng)答性等LED特征，實(shí)現(xiàn)多色顯示。安裝多色顯示。安裝驅(qū)動(dòng)LSI的點(diǎn)陳式顯示為代表性器件。

用 途

．車站的目的地顯示板

．各種信息顯示板

．商場(chǎng)、棒球場(chǎng)、賽馬場(chǎng)的室外大畫(huà)面顯示器

顯示用LED的外觀

激光半導(dǎo)體的動(dòng)作和使用方法

激光半 體也被稱為“激光二極管”（Leser Diode）.激光是一種通過(guò)誘導(dǎo)放出來(lái)將光放大的器件。而發(fā)出人眼可以識(shí)別的波長(zhǎng)的叫做VLD(Visible Laser Diode).

動(dòng)作原理

激光半導(dǎo)體（LD與LED不同，不是由注入的少數(shù)載子簡(jiǎn)單地重新結(jié)合起來(lái)，而是由于光的刺激而再結(jié)合起來(lái)，發(fā)出相位一致的光來(lái)）。    而且，芯片的一對(duì)端面呈鏡面狀，由激光共振器構(gòu)成。光在該共振器內(nèi)往返的過(guò)程中放大后，取出到芯片外部。

特征

因?yàn)長(zhǎng)D的主體是被稱為誘導(dǎo)放出的發(fā)光過(guò)程，因此可以得到波長(zhǎng)及相位整齊集中在一起（相干性）的光。為此，指向性及能量集中性相當(dāng)優(yōu)良。

激光半導(dǎo)體的外觀

激光半導(dǎo)體的動(dòng)作原理

結(jié)晶的種類的振蕩波長(zhǎng)

使用的結(jié)晶材料不同，激光的振蕩波長(zhǎng)也不一樣。大致可分為如左圖所示幾大類。而且，可以由1個(gè)器件發(fā)出2種不同波長(zhǎng)振蕩的二波長(zhǎng)激光半導(dǎo)體也已經(jīng)大量生產(chǎn)。

主要的應(yīng)用領(lǐng)域

InGaAIP激光：光盤(pán)（DVD）、條形碼讀取頭

GaAIAS激光：光盤(pán)（CD/MD）、激光束打印機(jī)

InGaAsP激光：光通信

InGaN激光：光盤(pán)（HD-DVD、藍(lán)光光碟）

結(jié)晶的種類的振蕩波長(zhǎng)

激光半導(dǎo)體的封裝結(jié)構(gòu)

受光器件的種類和使用方法

半導(dǎo)體的基本機(jī)構(gòu)之一PN接合部對(duì)光是非常敏感的。受光器件就是利用了這個(gè)特點(diǎn)，將光信號(hào)變換為電氣信號(hào)（電流或電壓）

★光電二極管

一旦光射入PN接合二極管，結(jié)合在晶格內(nèi)的電子被解放，成為自由電子，會(huì)產(chǎn)生一對(duì)自由電子及空穴。反向電壓引發(fā)的空乏層內(nèi)，或者其附近由于光的照射而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)將會(huì)會(huì)離，成為強(qiáng)度與光的強(qiáng)弱成比例的反向電流。這就叫光電流?？辗右酝獾膮^(qū)域產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)會(huì)再次接合成為熱，并消失。

用途

光傳感器

搖控器（紅外光受光）

檢測(cè)出光的斷開(kāi)

 光電二極管的動(dòng)作原理

光電二極管的圖形記號(hào)

★太陽(yáng)電池

利用光電二極管，將光能量變換為電氣能量的器件即為太陽(yáng)電池。    如果加了正向電壓其電壓仍然較低的話，由于電位勢(shì)壘存在空乏層，因此光照射而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)會(huì)分離，在正向電壓狀態(tài)下會(huì)流出輸出電流。在要求較高變換效率的用途中，使用單結(jié)晶硅或化合物半導(dǎo)體的GaAs等，在即使變換效率某種程度上較低，但要求大面積、低價(jià)格的用途中，使用非晶質(zhì)硅等。

用途

鐘、電子計(jì)算器

太陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)

★光電晶體管

可以視為光電二極管中安裝放大器的晶體管。    形成基極、集電極的PN接合是一種感光的二極管。通過(guò)光，在這個(gè)接合面產(chǎn)生的光電流將向發(fā)射極流動(dòng)。通過(guò)晶體管的放大作用，這種發(fā)射極電流將放大到最初光電流的幾百倍。

用途

光電傳感器

光電開(kāi)關(guān)

 受光晶體管的外觀

 光電晶體管的動(dòng)作原理

 光電晶體管的圖形記號(hào)

CCD圖像傳感器的動(dòng)作和使用方法

這是將矩陣狀分配的多個(gè)光電二極管和CCD集成到一起的光電傳感器。CCD是一種將光電二極管內(nèi)產(chǎn)生的面系列電荷依次轉(zhuǎn)送并轉(zhuǎn)換成時(shí)間系列的器件。(C：Charge   C:Couple     D:Device)

CCD的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理

CCD具有形成于基板表面的N型不純物層的上面像鏈條一樣并排多個(gè)MOS型電極的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)電極是重合2層或3層多晶硅的結(jié)構(gòu)，盡可能縮小電極和電極的間隔形成。沿著排放的轉(zhuǎn)發(fā)電極，施加以時(shí)鐘脈沖的話，存在于電極之下的電荷將按順序向旁邊的電極之下移動(dòng)。

CCD的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器

在P型不純物層的上部形成光電二極管、CCD、信號(hào)檢測(cè)電路。光電二極管將光變換為電子（電荷），CCD將該電荷發(fā)送到信號(hào)檢測(cè)電，電荷變換為電壓信號(hào)。我們將光電二極管一維排列的傳感器叫作線性傳感器，將二維排列的傳感器叫作面陣圖像傳感器。

 CCD圖像傳感器（線性）的外觀

特征

高感應(yīng)度

高解析度

低噪音

用途

圖像掃描儀

多功能打印機(jī)

復(fù)印機(jī)

CMOS圖像傳感器的動(dòng)作和使用方法

這是將矩陣狀分配的多個(gè)光電二極管和MOS模擬開(kāi)關(guān)集成到一起的光電傳感器。矩陣狀配置的MOS模擬開(kāi)關(guān)是將光電二極管中產(chǎn)生的面系列電荷轉(zhuǎn)換成時(shí)間系列的器件。

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器由半導(dǎo)體基板上的光電二極管和每個(gè)光電二極管形成的讀取晶體管電路以及指定地址的掃描電路構(gòu)成。讀取在掃描電路上指定的光電二極管的電荷，然后在晶體管中依次作為輸出信號(hào)讀取。CCD圖像傳感器按照順序轉(zhuǎn)發(fā)電荷，輸出圖像信息，碉CMOS圖像傳感器將縱向和橫向的晶體管動(dòng)作組合后輸出圖像信息。

特征

低耗電

單一電源驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)集成電路化簡(jiǎn)單

用途

插秧機(jī)、便攜式信息終端機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PC相機(jī)、圖像辨識(shí)（指紋檢測(cè)、二維條形碼等）

CMOS圖像傳感器（面陳型）的外觀

CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的動(dòng)作比較

光耦的動(dòng)作和使用方法

這是一種將發(fā)光器件和受光器件進(jìn)行光學(xué)性結(jié)合（耦合），安裝在1個(gè)封裝內(nèi)的光復(fù)合器件?？梢栽陔娐泛碗娐分g電氣性絕緣的情況下傳達(dá)信號(hào)。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

安裝在個(gè)別框架內(nèi)的發(fā)光器件（一般情況下為紅外線LED）和受光器件在光結(jié)合的狀態(tài)下放置，并且彩絕緣性的樹(shù)脂塑膜定型。

光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 動(dòng)作原理

通過(guò)電氣輸入信號(hào)從發(fā)光器件（LED）放射出來(lái)的光通過(guò)受光器件再次變換為電氣信號(hào)輸出。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是電氣信號(hào)，但器件內(nèi)部是通過(guò)光來(lái)執(zhí)行信號(hào)傳輸?shù)?。因此，該器件的特征就是輸入?cè)和輸出側(cè)電氣性處于數(shù)千V的絕緣分離狀態(tài)。

光耦的動(dòng)作原理

種 類

根據(jù)應(yīng)用電路，存在具有各種受光器件的光耦

晶體管輸出

達(dá)林頓晶體管輸出

晶閘管輸出

三端雙向可控硅輸出

IC（邏輯）輸出.

光耦的外觀

光耦的種類

用 途

電子設(shè)備中，微控制器等直流電壓系統(tǒng)、交流電壓系統(tǒng)、電話線等不同的電源系統(tǒng)安裝在相同的裝置內(nèi)，相互傳達(dá)信號(hào)。

將這些不同的電源系統(tǒng)直接結(jié)合的話，可能會(huì)引起動(dòng)作上或安全上各種故障，而如果使用光耦的話，可以在各電源系統(tǒng)之間絕緣的狀態(tài)下傳達(dá)信號(hào)。

家電產(chǎn)品、AV機(jī)器

電源、充電器

電話、計(jì)算機(jī)

光繼電器的動(dòng)作和使用方法

和光耦結(jié)構(gòu)類似，而特別把用源極共通連接起來(lái)的2個(gè)MOSFET構(gòu)成輸出段的器件叫作光繼電器。

光繼電器的外觀

 

動(dòng)作原理

將受光器件的光電二極管作為太陽(yáng)電池使用。紅外線LED發(fā)射光的話，受光器件（太陽(yáng)電池）就會(huì)產(chǎn)生光起電力。這個(gè)電力通過(guò)控制電路令MOSFET的柵極電壓上升，就能讓MOSFET進(jìn)入ON狀態(tài)?？刂齐娐纺芸s短MOSFET的關(guān)閉時(shí)間，將OFF期間的柵極電壓保持為0，防止MOSFET誤啟動(dòng)。

光繼電器的動(dòng)作原理

特 征

作為對(duì)機(jī)器進(jìn)行ON/OFF控制的器件，有機(jī)械式繼電器（機(jī)械式接點(diǎn)）。光繼電器和信號(hào)用機(jī)械式繼電器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)作速度較快

無(wú)機(jī)械性磨損，壽命長(zhǎng)

可以實(shí)現(xiàn)小型、薄型化

用 途

電話、交換機(jī)、調(diào)制解調(diào)器

測(cè)定器、測(cè)試器

光斷路器的動(dòng)作和使用方法

指以將發(fā)光器件和受光器件在套筒內(nèi)一體化，通過(guò)光的遮光或反射以檢測(cè)出物體為目的的器件。

光斷路器的外觀

★透過(guò)型光斷路器

動(dòng)作原理

保持某一間隔，使發(fā)光二極管和受光器件相對(duì)，通過(guò)受光側(cè)的光量變化，以非接觸的方法測(cè)出通過(guò)該間隔的物體。

透過(guò)型光斷路器的結(jié)構(gòu)

★反射型光斷路器

動(dòng)作原理

將發(fā)光二極管和受光器件配置在一個(gè)方向，通過(guò)物體將發(fā)光二極管的光反射，用受光器件進(jìn)行檢測(cè)。也叫做反射型光傳感器。

反射型光斷路器的結(jié)構(gòu)

用 途

OA機(jī)器（打印機(jī)、復(fù)印機(jī)）

AV機(jī)器（VTR、唱機(jī)）

家電產(chǎn)品（電子微波爐、換氣加熱器）

光通訊用器件（OCD）和種類和使用方法

將發(fā)光側(cè)（LED或激光二極管）的信號(hào)用光纖傳送到受光側(cè)（光電二極管）的光通信系統(tǒng)中所使用的就是光通訊用器件（OCD：Optical Communication Device）。

光通訊的原理

1）  輸入電氣信號(hào)通過(guò)發(fā)光器件變換為光信號(hào)。

2）  光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)绞芄馄骷?

3）  光信號(hào)經(jīng)由受光器件轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)后輸出。

光通訊的原理

光通訊的特征

和使用電線，保持電氣信號(hào)的狀態(tài)傳輸信號(hào)時(shí)，或通過(guò)電波傳輸時(shí)相比，具有以下特征。

光纖不受到電磁噪音的影響

不從光纖放射電磁噪音（信號(hào)不泄漏）

可以傳輸大容量信號(hào)

光通訊系統(tǒng)的種類和使用器件

光通訊系統(tǒng)大致可以分為以下幾類。

光通訊用器件的外觀（短*中距離用）