半导体光电子元器件

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Optoelectronic devices

利用半导体光-电子(或电-光子)转换效应制成的各种功能器件称为半导体光电子器件,半导体光电子器件有多种形式,这里仅介绍利用光电导效应与光生伏特效应制作的器件。

光敏电阻

某些半导体材料在光照射时,透到材料内部的光子能量足够大,一些电子吸收光子的能量,从原来的束缚态变成导电的自由态,这时在外电场的作用下,流过半导体的电流会增大,即半导体的电导会增大,这种现象叫光电导效应。

光敏电阻就是具有光电导效应的电阻器件,该器件的电阻随光照加强而减小,图1就是光敏电阻器件结构图。上图是光敏电阻芯片的俯视图,下图是芯片的剖面图,为看清楚,图中半导体光敏层与金属电极层加厚许多倍。

光敏电阻结构图

图1--光敏电阻结构图

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体物质,在陶瓷或玻璃基板上均匀地敷上一层薄的半导体物质,作为半导体光敏层。在光敏层上面有两个金属电极,电极是蒸镀的金或其他金属薄膜,电极呈梳状,梳齿交错排列,两梳齿极间有间隙,露出光敏层,弯曲的间隙加长了两电极的宽度,以提高灵敏度,两电极连接两根金属引出线(引脚)。为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层透明膜,膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大,并起到防潮等保护作用,金属薄膜电极通过引出线接入电路。

图2是光敏电阻器件芯片与外观图,左图是光敏电阻管芯的结构图,右图是封装好的光敏电阻。

光敏电阻器件芯片与外观图

图2--光敏电阻器件芯片与外观图
图3是光敏电阻的实验电路图与图形符号。 在实验中,没有光照在光敏电阻时,电流表读数为0,随光照加强,光敏电阻阻值减小,电流表读数加大。光敏电阻的文字符号是RL或RG或R。

光敏电阻的图形符号

图3--光敏电阻的图形符号

图4是光敏电阻的一个应用电路图,当环境光亮度下降时,该电路可启动继电器接通照明电路。由RP、RL组成的分压电路与R1、R2组成的分压电路输入运算放大器A进行比较,当环境光亮度下降到设定值时,光敏电阻RL阻值上升,分压点电压高于R2上的电压,放大器A输出低电位,三极管Q导通,继电器K的常开触点闭合,照明灯点亮。调整可变电阻RP可改变设定值。

暗激发光控电路

图4--暗激发光控电路
光敏二极管

某些由PN结构成的半导体材料在无光照时,半导体PN结内部存在自有电场。当光照射在PN结及其附近时,在能量足够大的光子作用下,在结区及其附近会产生少数载流子(电子与空穴对)。载流子在结区外时,靠扩散进入结区;在结区中时,则因电场E的作用,电子漂移到N区,空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷,P区带正电荷,产生附加电动势,此电动势称为光生电动势,此现象称为光生伏特效应。更多有关内容参见“”课件,在此不再介绍。

在本课件介绍的是采用光生伏特效应制造的光电子器件,图5是根据不同用途制造的不同外形、不同安装方式的光伏电池,这些光电子器件不是用来发电的,仅是作为对光的检测元件使用,通常称它们为光电二极管或光敏二极管。图6左边上方是光电二极管的图形符号,仅用在检测或控制电路中;图6左边下方是光伏电池的符号,表示太阳电池或太阳电池组件,也可用在检测或控制电路中。

多种规格的光电二极管

图5--多种规格的光电二极管(图片来自网络)

由于光伏电池输出电流相对于光照强度有好的线性,特别是短路电流,采用运算放大器可以把短路电流变化转变为电压变化。图6右图是光电二极管电流电压转换电路,通过对输出电压的检测就可以得到光照强度。有关运算放大器的工作原理这里不介绍了,请另找参考资料。

光电二极管电流电压转换电路

图6--光电二极管电流电压转换电路

在太阳能设备跟踪系统中常用4象限光电池对太阳方位进行检测,图7是不同外形与规格的4象限光电池。

4象限光电池

图7--4象限光电池(图片来自网络)

4象限光电池一般是圆形光伏电池片构成,圆形光伏电池片被分割成4个独立的扇形,图8左图是电池片结构,D1、D2、D3、D4是4个独立的光电池。图8右图是4个电池片用4个运算放大器分别进行电流/电压转换的电路示意图。

有一些4象限光电池器件附带放大器,把4个电池片的电流分别转换成电压输出,使用非常方便。图9就是这种4象限光电池器件的照片,称为4象限带前放探测器。

4象限光电池片与放大器

图8--4象限光电池片与放大器

4象限带前放探测器

图9--4象限带前放探测器(图片来自网络)


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