光电子学的基础知识汇总

在本文中，我们将讨论光电子学的基础知识，包括关于光子的简短讲座。此外，还将讨论各种光电器件，包括灯、LED、光电二极管、光敏电阻、激光二极管等。

什么是光电子学？

光电子学一词是电子学的一门特定学科，专注于发光或光检测设备。

发光设备使用电压和电流来产生电磁辐射（即光）。这种发光装置通常用于照明或用作指示灯。

相比之下，诸如光电晶体管之类的光检测设备旨在将接收到的电磁能转换为电流或电压。光检测装置可用于光感测和通信。这些例子包括黑暗激活开关和遥控器。一般而言，光检测设备通过使用光子释放半导体材料内的束缚电子来工作。

光子回顾

光子是电磁辐射 （EMR） 的基本单位。光子具有传播频率，我们根据该频率对 EMR 进行分类——微波 EMR、红外 EMR、光学 EMR 等。人眼对光学 EMR 很敏感，光学 EMR 进一步分为颜色。颜色不是光子的固有属性；相反，光子是有频率的，人类将这些不同的频率解释为不同的颜色。

光子背后的一些物理学

光子频率与其波长 （λ） 之间的关系由下式给出：

λ=ν/f（以米为单位）

在哪里

ν = 光子的速度或速度（单位为 m/s）

f = 频率（以赫兹为单位）

在自由空间中，ν 是光速（c = 3.0 × 10 8 m/s）。但在其他介质中，例如玻璃，ν 变得比光速慢。

具有较长波长（即，较低频率）的光子比具有较短波长（即，较高频率）的光子具有更少的能量。

有关光子能量、频率和波长的更多信息，请参见图 5。

图 5.电磁 （EM） 谱。图片由Inductiveload ［ CC-BY-SA-3.0 ］提供

灯具

灯，例如白炽灯泡，是将电流转换为可见光能的设备。白炽灯有一根由钨丝制成的灯丝。当电流流过该灯丝时，电流与灯丝的原子碰撞，导致灯丝产生热量，从而发射光子。这个特殊的过程会产生具有各种波长的光子，从而导致发出的光呈白色。

卤素灯类似于白炽灯。事实上，卤素灯泡被认为是白炽灯泡的高级形式。卤素灯以其明亮的光线和触感非常热的灯泡而闻名。卤素灯使用位于气压灯泡内的灯丝。加压气体由惰性气体和少量溴或碘等卤素元素组成。此外，卤素灯泡的玻璃比普通白炽灯泡的玻璃更坚固。

荧光灯则完全不同。它们由一个充满汞蒸气的玻璃管组成，其内壁涂有一种发荧光的材料。当从荧光灯泡的阴极电极发射的电子与汞原子碰撞时，会发射 UV（紫外线）辐射。这种紫外线辐射被灯的荧光涂层吸收，进而释放可见光。

发光二极管

发光二极管 （ LED ） 是双引线半导体器件，与普通二极管相似，只是它们发出的光可以是可见光、红外线或紫外线。当 LED 的阳极引线的电压变得比其阴极引线更正时（通常电压范围为 0.6 至 2.2V），电流流过 LED 器件，从而产生发光。

从历史上看，红色是第一个 LED 颜色；它于 1962 年开发，然后于 1968 年量产。接下来是黄色、绿色和红外 LED。直到 1989 年，蓝色 LED 才开始商业化。如今，几乎所有的 LED 颜色，包括白色，都可以在市场上买到。

激光二极管

激光二极管是一种半导体激光器件，在形式和操作上都与发光二极管 （LED） 非常相似。有关激光二极管的更多详细信息，请参见此处。

光敏电阻

光敏电阻无非就是光控可变电阻，也称为光敏电阻（LDR）。通常，当光敏电阻置于黑暗中时，其电阻非常高（以兆欧为单位）。相比之下，当一个光敏电阻被照亮时，它的电阻会急剧下降——取决于照射在它上面的光的强度，电阻可能低至数百欧姆。光敏电阻用于光敏开关器件。

光电二极管

光电二极管是将光能（即光子）直接转换为电流的双引线半导体器件。光电二极管是使用非常薄的n型半导体和较厚的p型半导体构成的。n侧具有丰富的电子并且被认为是阴极，而p侧具有丰富的空穴并且被认为是阳极。当足够能量的光子（即光）撞击二极管时，它会产生电子-空穴对。空穴向阳极移动，而电子向阴极移动，从而产生光感应电流（即光电流）。

太阳能电池

太阳能电池只是具有异常大表面积的光电二极管。这些较大的区域使太阳能电池对入射光更敏感，并且在电压和电流方面比光电二极管更强大。太阳能电池通常用于太阳能电池板，但它们也经常用作可见光探测器中的光敏元件。示例包括测光表和光敏继电器。

光电晶体管

您可能已经猜到，光电晶体管是光敏晶体管。有两种常见类型：第一种类似于BJT（双极结型晶体管），第二种类似于FET（场效应晶体管）。BJT型光电晶体管的基极被光敏区取代；当这个表面保持黑暗时，设备保持关闭状态。FET 型光电晶体管，有时称为光电 FET，使用光来产生控制漏源电流的栅极电压。与 BJT 型光电晶体管相比，FET 型光电晶体管对光的变化更敏感。

光隔离器

光隔离器 （也称为光耦合器）是通过光接口互连两个电路的电气设备。例如，典型的光隔离器由 LED 和光电晶体管组成，两者都封装在不透光的外壳中。光隔离器的 LED 部分连接到驱动电路，光电晶体管是输出设备。因此，当 LED 通电时，它会发射由光电晶体管检测到的光子。光隔离器的典型应用是在两个独立电路之间提供电气隔离。

光纤

光纤与光电设备结合使用，以通过调制光传输信息。下面的图 6 是光缆的简单描述。

图 6.光缆的简单描述。

概括

光电子学是对使用光的电子设备的研究和应用。此类设备包括发射光（LED 和灯泡）、通道光（光纤电缆）、检测光（光电二极管和光敏电阻）或受光控制（光隔离器和光电晶体管）的设备。