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）轉換效應制成的各種功能器件，從早期的被動式光接收和光轉換器件，到后期的主動式光學應用器件，光半導體器件組合應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用知識。

LED的發光原理與波長范圍

發光二極管（LED）是最常見的光半導體器件， LED的發光原理是向化合物半導體的pn結施加正向電流。當正向電流通過發光二極管時，載流子（電子和空穴）移動。p型區的空穴向n型區移動，n型區的電子向p型區移動。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：傳統的硅二極管不發光，因為重組能量變成了熱能。）

圖 2 LED的發光原理

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的發光波長范圍

光耦的基本介紹

 除了LED之外，光耦也是一種應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，通過發光元件將電信號轉換為光，并通過光接收元件接收光，以此實現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。光耦合器的主要優點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。在復雜的工業系統中，由于光耦器件體積小,響應速度快,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換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。

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，導致的結果是輸出電壓改變0?1。與之逆向的過程是首先LED關斷（1?0），然后LED光停止進入光電晶體管，從而光電晶體管關斷，這使得輸出電壓改變1?0。

圖3 一個采用雙模結構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，敬請關注！