光電子學的基礎知識匯總

在本文中，我們將討論光電子學的基礎知識，包括關于光子的簡短講座。此外，還將討論各種光電器件，包括燈、LED、光電二極管、光敏電阻、激光二極管等。

什么是光電子學？

光電子學一詞是電子學的一門特定學科，專注于發(fā)光或光檢測設備。

發(fā)光設備使用電壓和電流來產(chǎn)生電磁輻射（即光）。這種發(fā)光裝置通常用于照明或用作指示燈。

相比之下，諸如光電晶體管之類的光檢測設備旨在將接收到的電磁能轉換為電流或電壓。光檢測裝置可用于光感測和通信。這些例子包括黑暗激活開關和遙控器。一般而言，光檢測設備通過使用光子釋放半導體材料內的束縛電子來工作。

光子回顧

光子是電磁輻射 （EMR） 的基本單位。光子具有傳播頻率，我們根據(jù)該頻率對 EMR 進行分類——微波 EMR、紅外 EMR、光學 EMR 等。人眼對光學 EMR 很敏感，光學 EMR 進一步分為顏色。顏色不是光子的固有屬性；相反，光子是有頻率的，人類將這些不同的頻率解釋為不同的顏色。

光子背后的一些物理學

光子頻率與其波長 （λ） 之間的關系由下式給出：

λ=ν/f（以米為單位）

在哪里

ν = 光子的速度或速度（單位為 m/s）

f = 頻率（以赫茲為單位）

在自由空間中，ν 是光速（c = 3.0 × 10 8 m/s）。但在其他介質中，例如玻璃，ν 變得比光速慢。

具有較長波長（即，較低頻率）的光子比具有較短波長（即，較高頻率）的光子具有更少的能量。

有關光子能量、頻率和波長的更多信息，請參見圖 5。

圖 5.電磁 （EM） 譜。圖片由Inductiveload ［ CC-BY-SA-3.0 ］提供

燈具

燈，例如白熾燈泡，是將電流轉換為可見光能的設備。白熾燈有一根由鎢絲制成的燈絲。當電流流過該燈絲時，電流與燈絲的原子碰撞，導致燈絲產(chǎn)生熱量，從而發(fā)射光子。這個特殊的過程會產(chǎn)生具有各種波長的光子，從而導致發(fā)出的光呈白色。

鹵素燈類似于白熾燈。事實上，鹵素燈泡被認為是白熾燈泡的高級形式。鹵素燈以其明亮的光線和觸感非常熱的燈泡而聞名。鹵素燈使用位于氣壓燈泡內的燈絲。加壓氣體由惰性氣體和少量溴或碘等鹵素元素組成。此外，鹵素燈泡的玻璃比普通白熾燈泡的玻璃更堅固。

熒光燈則完全不同。它們由一個充滿汞蒸氣的玻璃管組成，其內壁涂有一種發(fā)熒光的材料。當從熒光燈泡的陰極電極發(fā)射的電子與汞原子碰撞時，會發(fā)射 UV（紫外線）輻射。這種紫外線輻射被燈的熒光涂層吸收，進而釋放可見光。

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管 （ LED ） 是雙引線半導體器件，與普通二極管相似，只是它們發(fā)出的光可以是可見光、紅外線或紫外線。當 LED 的陽極引線的電壓變得比其陰極引線更正時（通常電壓范圍為 0.6 至 2.2V），電流流過 LED 器件，從而產(chǎn)生發(fā)光。

從歷史上看，紅色是第一個 LED 顏色；它于 1962 年開發(fā)，然后于 1968 年量產(chǎn)。接下來是黃色、綠色和紅外 LED。直到 1989 年，藍色 LED 才開始商業(yè)化。如今，幾乎所有的 LED 顏色，包括白色，都可以在市場上買到。

激光二極管

激光二極管是一種半導體激光器件，在形式和操作上都與發(fā)光二極管 （LED） 非常相似。有關激光二極管的更多詳細信息，請參見此處。

光敏電阻

光敏電阻無非就是光控可變電阻，也稱為光敏電阻（LDR）。通常，當光敏電阻置于黑暗中時，其電阻非常高（以兆歐為單位）。相比之下，當一個光敏電阻被照亮時，它的電阻會急劇下降——取決于照射在它上面的光的強度，電阻可能低至數(shù)百歐姆。光敏電阻用于光敏開關器件。

光電二極管

光電二極管是將光能（即光子）直接轉換為電流的雙引線半導體器件。光電二極管是使用非常薄的n型半導體和較厚的p型半導體構成的。n側具有豐富的電子并且被認為是陰極，而p側具有豐富的空穴并且被認為是陽極。當足夠能量的光子（即光）撞擊二極管時，它會產(chǎn)生電子-空穴對?？昭ㄏ蜿枠O移動，而電子向陰極移動，從而產(chǎn)生光感應電流（即光電流）。

太陽能電池

太陽能電池只是具有異常大表面積的光電二極管。這些較大的區(qū)域使太陽能電池對入射光更敏感，并且在電壓和電流方面比光電二極管更強大。太陽能電池通常用于太陽能電池板，但它們也經(jīng)常用作可見光探測器中的光敏元件。示例包括測光表和光敏繼電器。

光電晶體管

您可能已經(jīng)猜到，光電晶體管是光敏晶體管。有兩種常見類型：第一種類似于BJT（雙極結型晶體管），第二種類似于FET（場效應晶體管）。BJT型光電晶體管的基極被光敏區(qū)取代；當這個表面保持黑暗時，設備保持關閉狀態(tài)。FET 型光電晶體管，有時稱為光電 FET，使用光來產(chǎn)生控制漏源電流的柵極電壓。與 BJT 型光電晶體管相比，F(xiàn)ET 型光電晶體管對光的變化更敏感。

光隔離器

光隔離器 （也稱為光耦合器）是通過光接口互連兩個電路的電氣設備。例如，典型的光隔離器由 LED 和光電晶體管組成，兩者都封裝在不透光的外殼中。光隔離器的 LED 部分連接到驅動電路，光電晶體管是輸出設備。因此，當 LED 通電時，它會發(fā)射由光電晶體管檢測到的光子。光隔離器的典型應用是在兩個獨立電路之間提供電氣隔離。

光纖

光纖與光電設備結合使用，以通過調制光傳輸信息。下面的圖 6 是光纜的簡單描述。

圖 6.光纜的簡單描述。

概括

光電子學是對使用光的電子設備的研究和應用。此類設備包括發(fā)射光（LED 和燈泡）、通道光（光纖電纜）、檢測光（光電二極管和光敏電阻）或受光控制（光隔離器和光電晶體管）的設備。