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光电半导体市场情况

光电半导体分为发光的和受光的，前者常见于照明灯具产品，后者常见于手机摄像产品。

发光器件典型就是照明应用，LED 半导体发光技术已经在逐步替代原有的白炽灯和气体放电光源，LED 技术在照明行业具有更高的能效、更低的成本、更为耐用、更丰富得场景。有兴趣了解行业和技术发展的，建议可以观摩大神写的这篇文章：深度好文 | LED 照明行业深度分析报告

简单来说，照明行业很庞大，但它不像家电行业，由美的、格力、海尔形成巨头垄断，市场份额相对比较零散。国内内销四天王欧普、佛照、三雄、雷士，国外老牌三巨头飞利浦、通用、欧司朗，外销巨头立达信、阳光等，照明产业集中地 - 中山古镇等，都未能在该市场占有绝对的垄断地位。

目前半导体照明行业，家用或消费类产品常用便宜的 SMD 封装，而商照产品常用 COD 封装，前者已基本国产化，后者仍由国外传统厂商把持。本书缺少了 COB（Chip On Board）的描述，建议看看深圳 LED 网：【收藏】史上最全的 COB 光源知识总结。国内家用照明的使用仍然还比较不讲究，大部分消费者只有亮不亮的概念，但随着居家品质的提升，越来越多人会开始关注高显值灯源、氛围灯设计、智能灯控等要素。

发光器件，除了照明应用，还衍生出很多细分领域：手机、电脑、电视的背光，以及 OLED 技术、户外广告 LED 屏；红外遥控器、电子产品指示灯、UV 杀菌灯等。而最近几年来最顶尖的 LED 发光技术应用，应该是无人驾驶的激光导航，以及 DLP 投影电视。

受光器件中最重要的，是图像传感器，主要应用于手机摄像头和安防监控，该领域的知名企业包括索尼 Sony、三星、Omnivision（韦尔）、Aptina（安森美 ON）、比亚迪 BYD、思特威、格科微、原相、思比科等。该行业的特性，其实类似于存储器件和 OLED 屏等行业，都是资金密集型，在有限的晶圆上堆叠更多的 CMOS 单元，更侧重于生产工艺，而非单纯的半导体技术设计。

图像传感器，除了智能手机、安防监控、电视、电脑等应用场景，还有像内窥镜、行车记录仪、运动相机、无人机、智能锁、门禁等场景。

除了图像传感以外，受光器件应用还有红外遥控器（红外接收）、照明感应灯、3D 结构光、红外 ToF 等技术分支。

光电半导体的体系

我们将使用半导体，将电气信号变换为光信号或反过来将光信号变换为电气信号的器件叫做光电半导体。光电半导体有各种种类: 按照功能、动作原理、结构、用途分类，主要的光电半导体可以分为以下几类。

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发光二极管（LED）的动作原理

LED 是放射光的二极管，light emitting diode，流通电流的话，将发射可见光或红外线光。

• 动作原理：

LED 是具有 PN 接合面的半导体。外加正向电压的话，电子将从 N 型区域，空穴将从 P 型区域向 PN 接合部分移动后再结合，电子带来的能量就转换为光。也就是说，自由电子和空穴进入结合状态时所产生的能量变成光后放射出来。

光的颜色（光的波长）由半导体的种类和添加物决定，各种化合物半导体的用法如下。

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可见光 LED 的种类和使用方法

可见光 LED 属于诉诸于视觉的器件，因此针对颜色、形状、结构有各种种类

LED 灯

指用透明树脂等封住 GaP 及 GaAsP、GaP∣As 等构成的 LED 芯片器件。发光的部分主要呈圆屋顶形状，可以根据用途转变为三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度 LED 的话，则可以获得 5cd（烛光）以上的光量。

用 途：汽车用停止灯、铁路用信号机、道路信息板等

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SMD LED 灯的外观

SMD LED 是一种和一般的圆形 LED 灯相比，以小型薄型为特征的表面安装用器件。由于近年来电子设备小型化，需要急速增加。

用 途：手机、移动设备

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白色 LED

为了用 LED 作全色显示，必须采用发出 3 原色（红色、绿色、蓝色）光的 LED。白色 LED 就是将各种发光芯片内置在 1 个封装内的器件。此外，还有在蓝色 LED 里内置补色荧光体，用蓝色以及蓝色能量激起的补色来发出白色光的器件。

用 途：全色液晶面板用背景光、低耗电灯

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LED 显示器

指将 LED 芯片固定在印刷基板及金属引线上，用成形的树脂外壳封住数字及文字的器件。7 段数字显示显器为代表器件。

用 途：TV、TVR、音响、家用电器、OA 设备

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显示用 LED

除了高亮度化、多色化以外，还可以发挥所谓高可靠性、低耗电、高速应答性等 LED 特征，实现多色显示。安装多色显示。安装驱动 LSI 的点阵式显示为代表性器件。

用 途：车站的目的地显示板、各种信息显示板、商场、棒球场、赛马场的室外大画面显示器

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激光半导体的动作和使用方法

激光半导体也被称为 “激光二极管”（Laser Diode）。激光是一种通过诱导放出来将光放大的器件。而发出人眼可以识别的波长的叫做 VLD(Visible Laser Diode).

• 动作原理
  激光半导体（LD 与 LED 不同，不是由注入的少数载子简单地重新结合起来，而是由于光的刺激而再结合起来，发出相位一致的光来）。 而且，芯片的一对端面呈镜面状，由激光共振器构成。光在该共振器内往返的过程中放大后，取出到芯片外部。
• 特征
  因为 LD 的主体是被称为诱导放出的发光过程，因此可以得到波长及相位整齐集中在一起（相干性）的光。为此，指向性及能量集中性相当优良。

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• 结晶的种类和振荡波长

使用的结晶材料不同，激光的振荡波长也不一样。大致可分为如左图所示几大类。

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而且，可以由 1 个器件发出 2 种不同波长振荡的二波长激光半导体也已经大量生产。

• 主要的应用领域

InGaAIP 激光：光盘（DVD）、条形码读取头

GaAIAS 激光：光盘（CD/MD）、激光束打印机

InGaAsP 激光：光通信

InGaN 激光：光盘（HD-DVD、蓝光光碟）

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受光器件的种类和使用方法

受光器件将光信号变换为电气信号（电流或电压）。

光电二极管 Photo-diode

一旦光射入 PN 接合二极管，结合在晶格内的电子被解放，成为自由电子，会产生一对自由电子及空穴。反向电压引发的空乏层内，或者其附近由于光的照射而产生的自由电子和空穴对将会会离，成为强度与光的强弱成比例的反向电流。这就叫光电流。空乏层以外的区域产生的自由电子和空穴对会再次接合成为热，并消失。

用途：光传感器、摇控器（红外光受光）、检测出光的断开

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太阳电池

利用光电二极管，将光能量变换为电气能量的器件即为太阳电池。

在要求较高变换效率的用途中，使用单结晶硅或化合物半导体的 GaAs 等，在即使变换效率某种程度上较低，但要求大面积、低价格的用途中，使用非晶质硅等。

用途：钟、电子计算器、太阳光发电系统

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光电晶体管 Photo-transistor

可以视为光电二极管中安装放大器的晶体管。

形成基极、集电极的 PN 接合是一种感光的二极管。通过光，在这个接合面产生的光电流将向发射极流动。通过晶体管的放大作用，这种发射极电流将放大到最初光电流的几百倍。

用途：光电传感器、光电开关、 受光晶体管的外观

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CCD 图像传感器的动作和使用方法

这是集合多个光电二极管和 CCD（Charge Couple Device）的光电传感器，将由光电二极管产生的电荷从电极接连转发到电机。

CCD 的结构和动作原理

CCD 具有形成于基板表面的 N 型不纯物层的上面像链条一样并排多个 MOS 型电极的结构。转发电极是重合 2 层或 3 层多晶硅的结构，尽可能缩小电极和电极的间隔形成。

沿着排放的转发电极，施加以时钟脉冲的话，存在于电极之下的电荷将按顺序向旁边的电极之下移动。

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CCD 图像传感器

在 P 型不纯物层的上部形成光电二极管、CCD、信号检测电路。光电二极管将光变换为电子（电荷），CCD 将该电荷发送到信号检测电，电荷变换为电压信号。

我们将光电二极管一维排列的传感器叫作线性传感器，将二维排列的传感器叫作面阵图像传感器。

特征：高感应度、高解析度、低噪音

用途：线性图像传感器：扫描仪、复印机、面阵图像传感器：摄像头、数码相机

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CMOS 图像传感器的动作和使用方法

这是将矩阵状分配的多个光电二极管和 MOS 模拟开关集成到一起的光电传感器。矩阵状配置的 MOS 模拟开关是将光电二极管中产生的面系列电荷转换成时间系列的器件。

CMOS 图像传感器

CMOS 图像传感器由半导体基板上的光电二极管和每个光电二极管形成的读取晶体管电路以及指定地址的扫描电路构成。
读取在扫描电路上指定的光电二极管的电荷，然后在晶体管中依次作为输出信号读取。
CCD 图像传感器按照顺序转发电荷，输出图像信息，碉 CMOS 图像传感器将纵向和横向的晶体管动作组合后输出图像信息。

特征：低耗电、单一电源驱动、系统集成电路化简单

用途：手机、便携式信息终端机、数码相机、图像辨识（指纹检测、二维条形码等）

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光耦的动作和使用方法

这是一种将发光器件和受光器件进行光学性结合（耦合），安装在 1 个封装内的光复合器件。可以在电路和电路之间电气性绝缘的情况下传达信号。

内部结构：安装在个别框架内的发光器件（一般情况下为红外线 LED）和受光器件在光结合的状态下放置，并且彩绝缘性的树脂塑膜定型。

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• 动作原理

通过电气输入信号从发光器件（LED）放射出来的光通过受光器件再次变换为电气信号输出。输入信号和输出信号都是电气信号，但器件内部是通过光来执行信号传输的。因此，该器件的特征就是输入侧和输出侧电气性处于数千 V 的绝缘分离状态。

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• 种 类

根据应用电路，存在具有各种受光器件的光耦、晶体管输出、达林顿晶体管输出、晶闸管输出、三端双向可控硅输出、IC（逻辑）输出

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• 用 途

电子设备中，微控制器等直流电压系统、交流电压系统、电话线等不同的电源系统安装在相同的装置内，相互传达信号。

将这些不同的电源系统直接结合的话，可能会引起动作上或安全上各种故障，而如果使用光耦的话，可以在各电源系统之间绝缘的状态下传达信号。

家电产品、AV 机器、电源、充电器、电话、计算机

光继电器的动作和使用方法

和光耦结构类似，而特别把用源极共通连接起来的 2 个 MOSFET 构成输出段的器件叫作光继电器。

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• 动作原理

从 LED 放射出来的光通过受光器件（多个光电二极管串联起的光电二极管阵列）产生电压、电流。

将受光器件的光电二极管作为太阳电池使用。红外线 LED 发射光的话，受光器件（太阳电池）就会产生光起电力。这个电力通过控制电路令 MOSFET 的栅极电压上升，就能让 MOSFET 进入 ON 状态。控制电路能缩短 MOSFET 的关闭时间，将 OFF 期间的栅极电压保持为 0，防止 MOSFET 误启动。

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• 特 征

作为对机器进行 ON/OFF 控制的器件，有机械式继电器（机械式接点）。光继电器和信号用机械式继电器相比，具有以下优点。

继电器：用小电流去控制大电流运作的一种 “自动开关 “

动作速度较快、无机械性磨损，寿命长、可以实现小型、薄型化

• 用 途

电话、交换机、调制解调器、测定器、测试器

光断路器的动作和使用方法 Photo-interrupter 光遮断器

指以将发光器件和受光器件在套筒内一体化，通过光的遮光或反射以检测出物体为目的的器件。

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透过型光断路器

• 动作原理

保持某一间隔，使发光二极管和受光器件相对，通过受光侧的光量变化，以非接触的方法测出通过该间隔的物体。

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反射型光断路器

• 动作原理

将发光二极管和受光器件配置在一个方向，通过物体将发光二极管的光反射，用受光器件进行检测。也叫做反射型光传感器。

• 用 途

OA 机器（打印机、复印机）、AV 机器（VTR、唱机）、家电产品（微波炉、换气加热器）

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光通讯用器件（OCD）和种类和使用方法

将发光侧（LED 或激光二极管）的信号用光纤传送到受光侧（光电二极管）的光通信系统中所使用的就是光通讯用器件（OCD：Optical Communication Device）。

光通讯的原理

1） 输入电气信号通过发光器件变换为光信号。

2） 光信号通过光纤传输到受光器件。

3） 光信号经由受光器件转换为电气信号后输出。

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光通讯的特征

和使用电线，保持电气信号的状态传输信号时，或通过电波传输时相比，具有以下特征。

• 光纤不受到电磁噪音的影响
• 不从光纤放射电磁噪音（信号不泄漏）
• 可以传输大容量信号

光通讯系统的种类和使用器件

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