半导体光电子元器件

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。

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。

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。

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。

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“光伏电池原理”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。

图5--多种规格的光电二极管（图片来自网络）

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。