形形色色的光电器件

　　光电三极管和光电二极管在性能上有哪些不同呢?
　　老师：光电三极管(图5)和光电二极管一样，也是光电导器件。光电三极管是NPN结构，但它的管芯基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收，并产生基极电流，根据三极管的电流放大作用，其集电极电流是基极电流的β倍。由于它充分利用了三极管的电流放大，光电流可以达到0?4～4mA(光电二极管的光电流仅为几十微安)，因此光电三极管具有更高的灵敏度。
　　同学：我们在进行电子制作时，经常使用发光二极管，只是不太清楚它为什么会发光，为什么会有几种不同发光颜色的发光二极管。
　　老师：发光二极管(图6)也是由一个PN结组成的半导体器件，同样具有单方向导电特性。给发光二极管外加正向电压时，它也处于导通状态，当正向电流流过管芯时，却将电能转换成了光能(图7)。发光二极管的发光颜色主要决定于制作管子的材料以及掺入杂质的种类。常用的有发红光的磷砷化镓发光二极管，发黄色光的碳化镓发光二极管，发绿光的磷化镓发光二极管。还有能发出红外光的砷化镓和砷铝化镓发光二极管。
　　同学：发光二极管为什么都要串联一只电阻呢?
　　老师：串联的电阻叫限流电阻。发光二极管和普通二极管不同的地方是在导通时的正向压降UF比较大，一般为1?5～2?5V(普通硅二极管约为0?7V)。发光二极管的工作电流IF一般为10～40mA。为了保证发光二极管在电源电压U的作用下管子的工作电流不超过额定值，需要串联一只限流电阻R，R的阻值可由下式算出
　　R=(U－UF)/IF
　　同学：有一种LED数码管，它与发光二极管有什么关系呢?
　　老师：LED数码管是多个发光二极管的组合，它是把磷砷化镓或磷化镓发光二极管的管芯做成条状，用七条条状的发光二极管组成七段式的数码显示管(图8)，就可以在计数器中显示0～9十个数字。这种数码管体积小、耗电省、寿命长、响应速度快、显示清晰，应用十分广泛。
　　同学：什么是硅光电池?它的主要特性是什么?
　　老师：硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，部分是一个大面积的PN结(图9)。大家可以自己做一个简单的实验，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。例如，国产2CR型硅光电池在100mW/cm2的入射光强下，开路电压(需用高内阻的直流毫伏计测量)为450～600mV，短路电流为16～30mA，转换效率为6％～12％。
　　同学：硅光电池的受光面为什么是蓝色的?硅光电池可以串联和并联吗?
　　老师：为了减少光线在硅光电池表面的反射，在它的表面还蒸有一层一氧化硅抗反射膜，可以使反射系数由30％～39％下降到7％，提高了转换效率。上面谈到单片硅光电池的开路电压(电动势)为450～600mV，当要求较高的电压时，可以把单片电池串联起来使用。单片硅光电池的短路电流为16～30mA，当要求输出较大电流时，可以把单片电池并联起来使用。
　　同学：您讲到光电器件分类的时候提到了光电耦合器，这是一种什么样的光电器件呢?
　　老师：在电子电路中，人们把半导体发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光电二极管、光电三极管)组合封装在一起，成为一种“电－光－电”的器件(图10)，这就是光电耦合器。当我们给输入端的发光器件输入一个电信号，则发光器件发光，光被输出端的光接收器件接收又转换成电信号。由于输入、输出之间是用光进行耦合，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，并可作为光电开关器件，代替继电器或脉冲变压器，应用相当广泛。