發(fā)光二極管原理

發(fā)光二極管是一種直接能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體器件。與其它發(fā)光器件相比，具有體積小、功耗低、發(fā)光均勻、穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電子儀器、音響設(shè)備、計(jì)算機(jī)等作電流指示、音頻指示和信息狀態(tài)顯示等。

一、發(fā)光原理

發(fā)光二極管的管芯結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。當(dāng)在發(fā)光二極管PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，空間電荷層變窄，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，致使P區(qū)的空穴注入N區(qū)，N區(qū)的電子注入P區(qū)。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)會(huì)釋放出能量并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來(lái)。

二、種類(lèi)和符號(hào)

發(fā)光二極管的種類(lèi)很多，按發(fā)光材料來(lái)區(qū)分有磷化鎵（GaP）發(fā)光二極管、磷砷化鎵（GaAsP）發(fā)光二極管、砷鋁鎵（GaAIAs）發(fā)光二極管等；按發(fā)光顏色來(lái)分有發(fā)紅光、黃光、綠光以及眼睛看不見(jiàn)的紅外發(fā)光二極管等；若按功率來(lái)區(qū)別可分為小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）發(fā)光二極管：另外還有多色、變色發(fā)光二極管等等。

發(fā)光二極管及在電路中的符號(hào)，如圖Z0128所示。

小功率的發(fā)光二極管正常工作電流在10 ～ 30mA范圍內(nèi)。通常正向壓降值在1.5 ～ 3V范圍內(nèi)。發(fā)光二極管的反向耐壓一般在6V左右。

發(fā)光二極管的伏安特性與整流二極管相似。為了避免由于電源波動(dòng)引起正向電流值超過(guò)最大允許工作電流而導(dǎo)致管子燒壞，通常應(yīng)串聯(lián)一個(gè)限流電阻來(lái)限制流過(guò)二極管的電流。由于發(fā)光二極管最大允許工作電流隨環(huán)境溫度的升高而降低，因此，發(fā)光二極管不宜在高溫環(huán)境中使用。

發(fā)光二極管的反向耐壓（即反向擊穿電壓）值比普通二極管的小，所以使用時(shí)，為了防止擊穿造成發(fā)光二極管不發(fā)光，在電路中要加接二極管來(lái)保護(hù)。

光敏二極管和光敏三極管

光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)。

一、光敏二極管

1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與符號(hào)

光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方。

光敏二極管在電路中的符號(hào)如圖Z0129 所示。光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。

2．光電轉(zhuǎn)換原理

根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無(wú)光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)（稱(chēng)之為光生載流子），使流過(guò)PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱(chēng)為光電流。不同波長(zhǎng)的光（蘭光、紅光、紅外光）在光敏二極管的不同區(qū)域被吸收形成光電流。被表面P型擴(kuò)散層所吸收的主要是波長(zhǎng)較短的蘭光，在這一區(qū)域，因光照產(chǎn)生的光生載流子（電子），一旦漂移到耗盡層界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，被拉向N區(qū)，形成部分光電流；彼長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光，將透過(guò)P型層在耗盡層激發(fā)出電子一空穴對(duì)，這些新生的電子和空穴載流子也會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，分別到達(dá)N區(qū)和P區(qū)，形成光電流。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，將透過(guò)P型層和耗盡層，直接被N區(qū)吸收。在N區(qū)內(nèi)因光照產(chǎn)生的光生載流子（空穴）一旦漂移到耗盡區(qū)界面，就會(huì)在結(jié)電場(chǎng)作用下被拉向P區(qū)，形成光電流。因此，光照射時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的光電流應(yīng)是三部分光電流之和。

二、光敏三極管

光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類(lèi)似。不同之處是光敏三極管必須有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏二極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通二極管。其結(jié)構(gòu) 及符號(hào)如圖Z0130所示。

當(dāng)人射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)，便形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了β倍的信號(hào)電流。因此，光敏三極管是一種相當(dāng)干將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大。