在本文(wen)中，我們(men)將討(tao)論(lun)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)學的(de)基礎(chu)知識，包括(kuo)光(guang)(guang)子(zi)(zi)學的(de)簡短講解。光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)學是研究和(he)應用(yong)(yong)使用(yong)(yong)光(guang)(guang)的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)設備。這些裝(zhuang)置包括(kuo)發光(guang)(guang)的(de)裝(zhuang)置（LED和(he)燈泡），通道光(guang)(guang)（光(guang)(guang)纖電(dian)(dian)(dian)纜），檢(jian)測光(guang)(guang)（光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)二極管和(he)光(guang)(guang)敏(min)電(dian)(dian)(dian)阻），或由光(guang)(guang)控(kong)制(zhi)（光(guang)(guang)隔(ge)離器(qi)和(he)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體管）。

什么是光電子學？

術語光(guang)(guang)電(dian)子學(xue)是一門專注于發光(guang)(guang)或(huo)光(guang)(guang)檢測器(qi)件的電(dian)子學(xue)科。

發光(guang)裝置使用電(dian)壓(ya)和電(dian)流來產生電(dian)磁輻射（即光(guang)）。這種發光(guang)裝置通常(chang)用于照明或作為指示燈。

相(xiang)反(fan)，光檢測器件，例如光電晶(jing)體(ti)管，被設計成將(jiang)接收的(de)電磁能轉換成電流或電壓。光檢測裝(zhuang)置(zhi)可(ke)用(yong)于(yu)光傳感和(he)通(tong)(tong)信。這些示例包括黑暗(an)激(ji)活開(kai)關和(he)遙控器。一(yi)般而言，光檢測裝(zhuang)置(zhi)通(tong)(tong)過使用(yong)光子來(lai)釋放半(ban)導體(ti)材料內(nei)的(de)束(shu)縛電子。

圖1至(zhi)圖4示出了(le)各種光電器件(jian)。

圖1.白熾燈。

圖2. LED。圖片由(you)Sinisa Maric提供(gong)。

圖3.光敏電阻。圖片(pian)由密歇根州(zhou)立大(da)學提供（PDF）。

圖(tu)4.太陽能電池(chi)。圖(tu)片由SparkFun提供。

光子研究綜述

光子(zi)是電磁輻(fu)射（EMR）的(de)(de)基本(ben)單位。光子(zi)具有(you)傳播頻(pin)率(lv)，并且(qie)我(wo)們基于該頻(pin)率(lv) - 微波EMR，紅外EMR，光學(xue)EMR等對EMR進行分類。人眼(yan)對光學(xue)EMR敏感(gan)，其(qi)進一步(bu)分類為(wei)顏(yan)色。顏(yan)色不是光子(zi)的(de)(de)固有(you)屬性(xing);相(xiang)反，光子(zi)具有(you)頻(pin)率(lv)，人類將這(zhe)些不同(tong)的(de)(de)頻(pin)率(lv)解釋(shi)為(wei)不同(tong)的(de)(de)顏(yan)色。

光子背后的一些物理學

光子頻率與其波長（λ）之(zhi)間的關系由下式給出：

λ=/f（單(dan)位為m）

ν=光子的速度或速度（單位為m/s）

f =頻率（單位為Hz）

在(zai)自由空間中，ν是光(guang)速（c = 3.0×108 m/s）。但在(zai)其(qi)他媒介中，例如玻璃，ν變得比光(guang)速慢。

具(ju)有(you)較(jiao)長波長（即(ji)較(jiao)低頻率(lv)）的光子比具(ju)有(you)較(jiao)短波長（即(ji)較(jiao)高頻率(lv)）的光子具(ju)有(you)較(jiao)少的能量。

有關光子能(neng)量，頻率(lv)和波長的更多信息，請(qing)參見圖5。

圖5.電(dian)磁（EM）頻譜(pu)。圖片由Inductiveload [CC-BY-SA-3.0]提供。

燈

諸如白熾燈(deng)(deng)泡之類(lei)的(de)(de)燈(deng)(deng)是將電(dian)流轉換(huan)成(cheng)可見(jian)光(guang)(guang)能(neng)的(de)(de)裝置。白熾燈(deng)(deng)具(ju)有由鎢(wu)絲制成(cheng)的(de)(de)燈(deng)(deng)絲。當電(dian)流流過(guo)(guo)該燈(deng)(deng)絲時，電(dian)流與燈(deng)(deng)絲的(de)(de)原子(zi)碰撞，導致燈(deng)(deng)絲產生(sheng)熱量，導致光(guang)(guang)子(zi)發射。這種特殊的(de)(de)過(guo)(guo)程產生(sheng)具(ju)有各種波長的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)，導致發出的(de)(de)光(guang)(guang)呈現白色。

鹵素(su)燈(deng)類(lei)似于(yu)白(bai)熾(chi)燈(deng)。事實上，鹵素(su)燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)被(bei)認為是白(bai)熾(chi)燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)的先進形式(shi)。鹵素(su)燈(deng)通常(chang)以其明亮的光和非常(chang)熱的觸(chu)摸燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)而聞名。鹵素(su)燈(deng)使用位于(yu)加(jia)壓燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)內的燈(deng)絲。加(jia)壓氣(qi)體由惰(duo)性氣(qi)體和少(shao)量鹵素(su)元素(su)如溴或碘組成。而且，鹵素(su)燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)的玻璃比普通白(bai)熾(chi)燈(deng)泡(pao)(pao)(pao)中的玻璃強。

熒光燈是完全不同的(de)。它們由水(shui)銀(yin)蒸汽填充的(de)玻璃管組成，其內壁涂有發(fa)熒光的(de)材料(liao)。當從熒光燈泡的(de)陰極(ji)電極(ji)發(fa)射的(de)電子(zi)與(yu)汞原子(zi)碰撞時，發(fa)射UV（紫(zi)外(wai)(wai)線(xian)）輻(fu)射。這種紫(zi)外(wai)(wai)線(xian)輻(fu)射被燈的(de)熒光涂層吸(xi)收，從而釋放出可見(jian)光。

發光二極管（LEDs）

發(fa)(fa)光(guang)二極管(guan)（LED）是雙引線(xian)半導體器件，與普(pu)通(tong)二極管(guan)類似(si)，不同(tong)之(zhi)處在于它們發(fa)(fa)出可見光(guang)，紅外(wai)線(xian)或紫(zi)外(wai)線(xian)。 當(dang)LED的(de)陽極引線(xian)的(de)電壓比其陰極引線(xian)更正（通(tong)常通(tong)過0.6到2.2V的(de)電壓）時，電流(liu)流(liu)過LED器件，從而產生(sheng)發(fa)(fa)光(guang)。

從歷史(shi)角度來(lai)看，紅色(se)是(shi)第一種LED顏(yan)(yan)色(se)；它是(shi)在1962年開發的(de)，然(ran)后在1968年大規模(mo)生產。接下來(lai)是(shi)黃色(se)，綠色(se)和紅外LED。直(zhi)到1989年，藍色(se)LED才開始商業化。如今(jin)，幾乎任何(he)LED顏(yan)(yan)色(se)，包括白色(se)，都(dou)是(shi)市(shi)售的(de)。

激光二極管

激光(guang)二極(ji)管(guan)是半導體激光(guang)器件(jian)，其在形式和操作上與發(fa)光(guang)二極(ji)管(guan)（LED）非常相似(si)。

光敏

光(guang)敏(min)(min)(min)電阻(zu)(zu)只(zhi)不過是光(guang)控可變電阻(zu)(zu)，也稱為(wei)光(guang)敏(min)(min)(min)電阻(zu)(zu)（LDR）。通常(chang)，當光(guang)敏(min)(min)(min)電阻(zu)(zu)放置在黑暗(an)中時，其電阻(zu)(zu)非常(chang)高(gao)（以兆歐為(wei)單位）。相反，當光(guang)敏(min)(min)(min)電阻(zu)(zu)被照射時，其電阻(zu)(zu)急劇下降(jiang) - 取(qu)決于照射在其上的(de)光(guang)的(de)強度，電阻(zu)(zu)可能低至數百歐姆(mu)。光(guang)敏(min)(min)(min)電阻(zu)(zu)用于光(guang)敏(min)(min)(min)開(kai)關器(qi)件(jian)。

光電二極管

光(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)是雙引線半(ban)導體器件，其將光(guang)(guang)能（即(ji)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)）直接轉換成(cheng)電(dian)(dian)流。使(shi)用非常薄的(de)n型半(ban)導體和(he)較厚的(de)p型半(ban)導體構(gou)造(zao)光(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)。n側具(ju)有豐富(fu)的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)并(bing)且(qie)被(bei)認為是陰極(ji)(ji)，而(er)p側具(ju)有豐富(fu)的(de)空(kong)穴并(bing)且(qie)被(bei)認為是陽極(ji)(ji)。當具(ju)有足夠能量的(de)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)（即(ji)光(guang)(guang)）照射到二(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)時，它產生電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi) - 空(kong)穴對。空(kong)穴向陽極(ji)(ji)移(yi)(yi)動，而(er)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向陰極(ji)(ji)移(yi)(yi)動，從而(er)產生光(guang)(guang)感(gan)應電(dian)(dian)流（即(ji)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流）。

太陽能電池

太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池只是光(guang)電(dian)二極管，具有特別大(da)的表(biao)面積。這些較大(da)的區域允許(xu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池對入射(she)光(guang)更敏感，并(bing)且在電(dian)壓和(he)電(dian)流方面比光(guang)電(dian)二極管更強大(da)。太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池通常用于太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池板，但它們也經常用作可見光(guang)探測器(qi)(qi)中(zhong)的光(guang)敏元件。例子包括測光(guang)表(biao)和(he)光(guang)敏繼電(dian)器(qi)(qi)。

光電晶體管

您(nin)可能已(yi)經(jing)猜到，光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)是光(guang)(guang)敏晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)。有兩種(zhong)常(chang)見類(lei)型(xing)(xing)(xing)：第一種(zhong)類(lei)似于BJT（雙極(ji)(ji)結(jie)型(xing)(xing)(xing)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)），第二種(zhong)類(lei)似于FET（場效應晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)）。BJT型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)基極(ji)(ji)被光(guang)(guang)敏區域取代；當此(ci)表(biao)面保(bao)持黑暗時，設備保(bao)持關(guan)閉狀態。FET型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（有時稱為光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)FET）使用光(guang)(guang)來產生控制漏源電(dian)(dian)(dian)流的(de)柵(zha)極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)壓。與BJT型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)相比(bi)，FET型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)對光(guang)(guang)的(de)變化更敏感。

光隔離器

光(guang)(guang)隔(ge)(ge)(ge)離器（也稱為光(guang)(guang)耦合器）是(shi)通過光(guang)(guang)學(xue)接(jie)口(kou)互連(lian)(lian)兩個(ge)電(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子設備(bei)(bei)。例如，典型(xing)的(de)(de)光(guang)(guang)隔(ge)(ge)(ge)離器由LED和光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體管組成，兩者都封裝在(zai)不透光(guang)(guang)的(de)(de)外殼中。光(guang)(guang)隔(ge)(ge)(ge)離器的(de)(de)LED部(bu)分(fen)連(lian)(lian)接(jie)到驅動電(dian)(dian)(dian)路，光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體管是(shi)輸出設備(bei)(bei)。因此，當LED通電(dian)(dian)(dian)時，它發射由光(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體管檢測到的(de)(de)光(guang)(guang)子。光(guang)(guang)隔(ge)(ge)(ge)離器的(de)(de)典型(xing)應用是(shi)在(zai)兩個(ge)獨立電(dian)(dian)(dian)路之間提(ti)供(gong)電(dian)(dian)(dian)隔(ge)(ge)(ge)離。

光纖

光纖與光電(dian)器件結合使用，以便通過調制(zhi)光傳(chuan)輸信息。下(xia)面(mian)的圖(tu)6是光纖電(dian)纜的簡(jian)單(dan)描述。

圖(tu)6.光(guang)纖電纜的簡單描述。

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