半导体光电子器件的原理简介

半导体光电子器件的原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。

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。它不同于半导体光器件(如光波导开关、光调制器、光偏转器等)。

光器件的设计原理是依据外场对导波光传播方式的改变，它也有别于早期人们袭用的光电器件。后者只是着眼于光能量的接收和转换(如光敏电阻、光电池等)。

早期的光电器件只限于被动式的应用，60年代作为相干光载波源的半导体激光器的问世，则使它进入主动式应用阶段，光电子器件组合应用的功能在某些方面(如光通信、光信息处理等)正在扩展电子学难以执行的功能。

分为三大类：

①发光二极管 （LED） 和激光二极管（LD）：将电能转换成光辐射的电致发光器件。发光管的发散角大，光谱范围宽，寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，广泛用于速率不太高、传输距离不太远的通信系统，以及显示屏和自动控制等。激光管的光谱较窄、发散角小、方向性强、色散小，于1962 年研制成功后，得到迅速发展，广泛用于大容量、长距离的光纤通信系统以及光电集成电路。缺点是温度特性差，寿命比 LED 短。

②光电探测器或光电接收器：通过电子过程探测光信号的器件。即将射到它表面上的光信号转换为电信号，如 PIN光电二极管和雪崩光电二极管（ APD ）等，目前广泛用于光纤通信系统。

③ 太阳电池。将光辐射能转换成电能的器件。1954年应用硅PN结首先研制成太阳电池。它能把阳光以高效率直接转换成电能，以低运行成本提供永久性的电力，并且没有污染，为最清洁的能源。根据其结构不同，其效率可达5%～20%。

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。