什么是光电子学？

在本文中，我们将讨论光电子学的基础知识，包括光子学的简短讲解。光电子学是研究和应用使用光的电子设备。这些装置包括发光的装置（LED和灯泡），通道光（光纤电缆），检测光（光电二极管和光敏电阻），或由光控制（光隔离器和光电晶体管）。

什么是光电子学？

术语光电子学是一门专注于发光或光检测器件的电子学科。

发光装置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作为指示灯。

相反，光检测器件，例如光电晶体管，被设计成将接收的电磁能转换成电流或电压。光检测装置可用于光传感和通信。这些示例包括黑暗激活开关和遥控器。一般而言，光检测装置通过使用光子来释放半导体材料内的束缚电子。

图1至图4示出了各种光电器件。

图1.白炽灯。

图2. LED。图片由Sinisa Maric提供。

图3.光敏电阻。图片由密歇根州立大学提供（PDF）。

图4.太阳能电池。图片由SparkFun提供。

光子研究综述

光子是电磁辐射（EMR）的基本单位。光子具有传播频率，并且我们基于该频率 - 微波EMR，红外EMR，光学EMR等对EMR进行分类。人眼对光学EMR敏感，其进一步分类为颜色。颜色不是光子的固有属性;相反，光子具有频率，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=/f（单位为m）

ν=光子的速度或速度（单位为m/s）

f =频率（单位为Hz）

在自由空间中，ν是光速（c = 3.0×108 m/s）。但在其他媒介中，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）的光子具有较少的能量。

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）频谱。图片由Inductiveload [CC-BY-SA-3.0]提供。

灯

诸如白炽灯泡之类的灯是将电流转换成可见光能的装置。白炽灯具有由钨丝制成的灯丝。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，导致光子发射。这种特殊的过程产生具有各种波长的光子，导致发出的光呈现白色。

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先进形式。卤素灯通常以其明亮的光和非常热的触摸灯泡而闻名。卤素灯使用位于加压灯泡内的灯丝。加压气体由惰性气体和少量卤素元素如溴或碘组成。而且，卤素灯泡的玻璃比普通白炽灯泡中的玻璃强。

荧光灯是完全不同的。它们由水银蒸汽填充的玻璃管组成，其内壁涂有发荧光的材料。当从荧光灯泡的阴极电极发射的电子与汞原子碰撞时，发射UV（紫外线）辐射。这种紫外线辐射被灯的荧光涂层吸收，从而释放出可见光。

发光二极管（LEDs）

发光二极管（LED）是双引线半导体器件，与普通二极管类似，不同之处在于它们发出可见光，红外线或紫外线。 当LED的阳极引线的电压比其阴极引线更正（通常通过0.6到2.2V的电压）时，电流流过LED器件，从而产生发光。

从历史角度来看，红色是第一种LED颜色；它是在1962年开发的，然后在1968年大规模生产。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，几乎任何LED颜色，包括白色，都是市售的。

激光二极管

激光二极管是半导体激光器件，其在形式和操作上与发光二极管（LED）非常相似。

光敏

光敏电阻只不过是光控可变电阻，也称为光敏电阻（LDR）。通常，当光敏电阻放置在黑暗中时，其电阻非常高（以兆欧为单位）。相反，当光敏电阻被照射时，其电阻急剧下降 - 取决于照射在其上的光的强度，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

光电二极管是双引线半导体器件，其将光能（即光子）直接转换成电流。使用非常薄的n型半导体和较厚的p型半导体构造光电二极管。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。当具有足够能量的光子（即光）照射到二极管时，它产生电子 - 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

太阳能电池只是光电二极管，具有特别大的表面积。这些较大的区域允许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。例子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域取代；当此表面保持黑暗时，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）是通过光学接口互连两个电路的电子设备。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隔离。

光纤

光纤与光电器件结合使用，以便通过调制光传输信息。下面的图6是光纤电缆的简单描述。

图6.光纤电缆的简单描述。

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