在本文中，我們將討論光電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括關(guān)于光子的簡(jiǎn)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(xué)？

光電子學(xué)一詞是電子學(xué)的一門(mén)特定學(xué)科，專(zhuān)注于發(fā)光或光檢測(cè)設(shè)備。

發(fā)光設(shè)備使用電壓和電流來(lái)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(lèi)的光檢測(cè)設(shè)備旨在將接收到的電磁能轉(zhuǎn)換為電流或電壓。光檢測(cè)裝置可用于光感測(cè)和通信。這些例子包括黑暗激活開(kāi)關(guān)和遙控器。一般而言，光檢測(cè)設(shè)備通過(guò)使用光子釋放半導(dǎo)體材料內(nèi)的束縛電子來(lái)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(duì) EMR 進(jìn)行分類(lèi)——微波 EMR、紅外 EMR、光學(xué) EMR 等。人眼對(duì)光學(xué) EMR 很敏感，光學(xué) EMR 進(jìn)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(lèi)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(xué)

光子頻率與其波長(zhǎng) （λ） 之間的關(guān)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(zhì)中，例如玻璃，ν 變得比光速慢。

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

有關(guān)光子能量、頻率和波長(zhǎng)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)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(zhuǎn)換為可見(jiàn)光能的設(shè)備。白熾燈有一根由鎢絲制成的燈絲。當(dāng)電流流過(guò)該燈絲時(shí)，電流與燈絲的原子碰撞，導(dǎo)致燈絲產(chǎn)生熱量，從而發(fā)射光子。這個(gè)特殊的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生具有各種波長(zhǎng)的光子，從而導(dǎo)致發(fā)出的光呈白色。

鹵素?zé)纛?lèi)似于白熾燈。事實(shí)上，鹵素?zé)襞荼徽J(rèn)為是白熾燈泡的高級(jí)形式。鹵素?zé)粢云涿髁恋墓饩€和觸感非常熱的燈泡而聞名。鹵素?zé)羰褂梦挥跉鈮簾襞輧?nèi)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?zé)襞莸牟ＡП绕胀ò谉霟襞莸牟ＡЦ鼒?jiān)固。

熒光燈則完全不同。它們由一個(gè)充滿汞蒸氣的玻璃管組成，其內(nèi)壁涂有一種發(fā)熒光的材料。當(dāng)從熒光燈泡的陰極電極發(fā)射的電子與汞原子碰撞時(shí)，會(huì)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(jìn)而釋放可見(jiàn)光。

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管 （ LED ） 是雙引線半導(dǎo)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(jiàn)光、紅外線或紫外線。當(dāng) LED 的陽(yáng)極引線的電壓變得比其陰極引線更正時(shí)（通常電壓范圍為 0.6 至 2.2V），電流流過(guò) LED 器件，從而產(chǎn)生發(fā)光。

從歷史上看，紅色是第一個(gè) LED 顏色；它于 1962 年開(kāi)發(fā)，然后于 1968 年量產(chǎn)。接下來(lái)是黃色、綠色和紅外 LED。直到 1989 年，藍(lán)色 LED 才開(kāi)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(chǎng)上買(mǎi)到。

激光二極管

激光二極管是一種半導(dǎo)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(guān)激光二極管的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)此處。

光敏電阻

光敏電阻無(wú)非就是光控可變電阻，也稱(chēng)為光敏電阻（LDR）。通常，當(dāng)光敏電阻置于黑暗中時(shí)，其電阻非常高（以兆歐為單位）。相比之下，當(dāng)一個(gè)光敏電阻被照亮?xí)r，它的電阻會(huì)急劇下降——取決于照射在它上面的光的強(qiáng)度，電阻可能低至數(shù)百歐姆。光敏電阻用于光敏開(kāi)關(guān)器件。

光電二極管

光電二極管是將光能（即光子）直接轉(zhuǎn)換為電流的雙引線半導(dǎo)體器件。光電二極管是使用非常薄的n型半導(dǎo)體和較厚的p型半導(dǎo)體構(gòu)成的。n側(cè)具有豐富的電子并且被認(rèn)為是陰極，而p側(cè)具有豐富的空穴并且被認(rèn)為是陽(yáng)極。當(dāng)足夠能量的光子（即光）撞擊二極管時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。空穴向陽(yáng)極移動(dòng)，而電子向陰極移動(dòng)，從而產(chǎn)生光感應(yīng)電流（即光電流）。

太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)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(yáng)能電池對(duì)入射光更敏感，并且在電壓和電流方面比光電二極管更強(qiáng)大。太陽(yáng)能電池通常用于太陽(yáng)能電池板，但它們也經(jīng)常用作可見(jiàn)光探測(cè)器中的光敏元件。示例包括測(cè)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(jiàn)類(lèi)型：第一種類(lèi)似于BJT（雙極結(jié)型晶體管），第二種類(lèi)似于FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。BJT型光電晶體管的基極被光敏區(qū)取代；當(dāng)這個(gè)表面保持黑暗時(shí)，設(shè)備保持關(guān)閉狀態(tài)。FET 型光電晶體管，有時(shí)稱(chēng)為光電 FET，使用光來(lái)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(duì)光的變化更敏感。

光隔離器

光隔離器 （也稱(chēng)為光耦合器）是通過(guò)光接口互連兩個(gè)電路的電氣設(shè)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(qū)動(dòng)電路，光電晶體管是輸出設(shè)備。因此，當(dāng) LED 通電時(shí)，它會(huì)發(fā)射由光電晶體管檢測(cè)到的光子。光隔離器的典型應(yīng)用是在兩個(gè)獨(dú)立電路之間提供電氣隔離。

光纖

光纖與光電設(shè)備結(jié)合使用，以通過(guò)調(diào)制光傳輸信息。下面的圖 6 是光纜的簡(jiǎn)單描述。

圖 6.光纜的簡(jiǎn)單描述。

概括

光電子學(xué)是對(duì)使用光的電子設(shè)備的研究和應(yīng)用。此類(lèi)設(shè)備包括發(fā)射光（LED 和燈泡）、通道光（光纖電纜）、檢測(cè)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(shè)備。