在本(ben)文(wen)中，我們(men)將(jiang)討論光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)學(xue)的基(ji)礎知識，包括(kuo)(kuo)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)學(xue)的簡短講(jiang)解。光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)學(xue)是研究和(he)應用使用光(guang)(guang)(guang)(guang)的電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)設備。這些(xie)裝置(zhi)(zhi)包括(kuo)(kuo)發光(guang)(guang)(guang)(guang)的裝置(zhi)(zhi)（LED和(he)燈(deng)泡(pao)），通道光(guang)(guang)(guang)(guang)（光(guang)(guang)(guang)(guang)纖電(dian)(dian)(dian)纜(lan)），檢測光(guang)(guang)(guang)(guang)（光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)二極(ji)管和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏電(dian)(dian)(dian)阻），或由光(guang)(guang)(guang)(guang)控制（光(guang)(guang)(guang)(guang)隔離器和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)晶體管）。
什么是光電子學？
術語光電(dian)子(zi)學是一(yi)門專注于發光或光檢(jian)測器件的電(dian)子(zi)學科。
發光裝置使用電壓和(he)電流來產生電磁(ci)輻射（即(ji)光）。這種(zhong)發光裝置通(tong)常用于照明或作為(wei)指示(shi)燈。
相(xiang)反，光檢(jian)測器(qi)件，例如光電(dian)晶體管，被設(she)計成將接收的電(dian)磁能轉換成電(dian)流或電(dian)壓。光檢(jian)測裝置可用于(yu)光傳感和(he)通信。這些示(shi)例包括(kuo)黑暗激活開關(guan)和(he)遙控(kong)器(qi)。一般而言，光檢(jian)測裝置通過(guo)使用光子來釋(shi)放半導(dao)體材料(liao)內的束縛電(dian)子。
圖1至圖4示出了(le)各種光電(dian)器件。
圖1.白熾燈。
圖2. LED。圖片由(you)Sinisa Maric提供。
圖3.光敏電阻。圖片(pian)由密歇根(gen)州立大學提(ti)供（PDF）。
圖4.太陽能電(dian)池(chi)。圖片由SparkFun提供。
光子研究綜述
光(guang)子(zi)是電磁(ci)輻(fu)射(she)（EMR）的(de)(de)基本單位。光(guang)子(zi)具(ju)有(you)傳播頻率(lv)，并且我們基于該頻率(lv) - 微波EMR，紅外EMR，光(guang)學EMR等對(dui)EMR進行分類。人眼對(dui)光(guang)學EMR敏感，其進一步(bu)分類為顏(yan)色(se)。顏(yan)色(se)不(bu)(bu)是光(guang)子(zi)的(de)(de)固有(you)屬(shu)性;相反(fan)，光(guang)子(zi)具(ju)有(you)頻率(lv)，人類將這些(xie)不(bu)(bu)同的(de)(de)頻率(lv)解釋為不(bu)(bu)同的(de)(de)顏(yan)色(se)。
光子背后的一些物理學
光子頻(pin)率(lv)與其波長（λ）之間的關系由下式給出：
λ=/f（單位為m）
ν=光子的速度(du)或速度(du)（單位為(wei)m/s）
f =頻率（單位(wei)為Hz）
在(zai)自由(you)空間中(zhong)，ν是(shi)光速（c = 3.0×108 m/s）。但在(zai)其他媒介中(zhong)，例如玻璃(li)，ν變(bian)得比光速慢(man)。
具(ju)(ju)(ju)有(you)較(jiao)(jiao)長波(bo)長（即較(jiao)(jiao)低頻(pin)率）的(de)光(guang)子比(bi)具(ju)(ju)(ju)有(you)較(jiao)(jiao)短波(bo)長（即較(jiao)(jiao)高頻(pin)率）的(de)光(guang)子具(ju)(ju)(ju)有(you)較(jiao)(jiao)少的(de)能量。
有關光子能量，頻率(lv)和波長的更多信息，請參(can)見圖5。
圖(tu)5.電磁（EM）頻(pin)譜。圖(tu)片由Inductiveload [CC-BY-SA-3.0]提供。
燈
諸如白熾燈(deng)泡(pao)之類的燈(deng)是將電(dian)流轉換成可見光能的裝置(zhi)。白熾燈(deng)具有由(you)鎢絲(si)(si)制成的燈(deng)絲(si)(si)。當電(dian)流流過(guo)該(gai)燈(deng)絲(si)(si)時，電(dian)流與燈(deng)絲(si)(si)的原子碰撞，導(dao)(dao)致(zhi)燈(deng)絲(si)(si)產生熱量，導(dao)(dao)致(zhi)光子發(fa)射。這種特殊(shu)的過(guo)程產生具有各種波長的光子，導(dao)(dao)致(zhi)發(fa)出的光呈現(xian)白色。
鹵(lu)素(su)(su)燈(deng)(deng)類(lei)似于(yu)白熾燈(deng)(deng)。事(shi)實上，鹵(lu)素(su)(su)燈(deng)(deng)泡(pao)被(bei)認為是白熾燈(deng)(deng)泡(pao)的(de)先進形(xing)式。鹵(lu)素(su)(su)燈(deng)(deng)通(tong)常以其明亮的(de)光和非(fei)常熱的(de)觸摸燈(deng)(deng)泡(pao)而聞名。鹵(lu)素(su)(su)燈(deng)(deng)使用位于(yu)加壓(ya)燈(deng)(deng)泡(pao)內的(de)燈(deng)(deng)絲。加壓(ya)氣(qi)(qi)體(ti)由惰(duo)性氣(qi)(qi)體(ti)和少量(liang)鹵(lu)素(su)(su)元素(su)(su)如溴(xiu)或碘組成。而且(qie)，鹵(lu)素(su)(su)燈(deng)(deng)泡(pao)的(de)玻璃比普通(tong)白熾燈(deng)(deng)泡(pao)中的(de)玻璃強。
熒(ying)(ying)光燈是完全(quan)不(bu)同的。它們由水銀(yin)蒸汽填充的玻璃(li)管組成，其內壁涂有發熒(ying)(ying)光的材料。當從熒(ying)(ying)光燈泡的陰極(ji)電極(ji)發射(she)(she)的電子與汞原子碰撞(zhuang)時，發射(she)(she)UV（紫外線）輻射(she)(she)。這(zhe)種紫外線輻射(she)(she)被燈的熒(ying)(ying)光涂層吸收，從而釋放出可見光。
發光二極管（LEDs）
發(fa)光二(er)極(ji)管(guan)(guan)（LED）是雙引線(xian)(xian)半導(dao)體器件，與普通二(er)極(ji)管(guan)(guan)類似，不(bu)同之(zhi)處在(zai)于它們發(fa)出可見光，紅外線(xian)(xian)或紫外線(xian)(xian)。 當(dang)LED的陽極(ji)引線(xian)(xian)的電(dian)壓比其陰(yin)極(ji)引線(xian)(xian)更正（通常通過(guo)0.6到2.2V的電(dian)壓）時，電(dian)流流過(guo)LED器件，從而產(chan)生發(fa)光。
從歷史角度來看，紅色是(shi)第一種LED顏(yan)色；它是(shi)在(zai)1962年(nian)開(kai)發的，然后在(zai)1968年(nian)大規模生產。接下來是(shi)黃色，綠色和紅外(wai)LED。直到1989年(nian)，藍色LED才開(kai)始商業化。如今(jin)，幾(ji)乎任何LED顏(yan)色，包(bao)括白色，都是(shi)市售的。
激光二極管
激光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管是半導(dao)體激光(guang)(guang)器件，其在(zai)形式(shi)和操作上與發光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管（LED）非常(chang)相似。
光敏
光(guang)(guang)敏電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)只不過(guo)是光(guang)(guang)控可(ke)變電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)，也稱為(wei)光(guang)(guang)敏電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)（LDR）。通常，當光(guang)(guang)敏電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)放置在(zai)(zai)黑暗中時，其(qi)電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)非常高(gao)（以兆歐為(wei)單(dan)位(wei)）。相反，當光(guang)(guang)敏電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)被照(zhao)(zhao)射時，其(qi)電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)急劇(ju)下降 - 取決于(yu)照(zhao)(zhao)射在(zai)(zai)其(qi)上的(de)光(guang)(guang)的(de)強度，電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)可(ke)能低至數百歐姆。光(guang)(guang)敏電阻(zu)(zu)(zu)(zu)(zu)用于(yu)光(guang)(guang)敏開關器件。
光電二極管
光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)管(guan)是雙(shuang)引線半(ban)導體器件，其將光(guang)(guang)(guang)(guang)能（即(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)）直接轉換成電(dian)(dian)(dian)流。使用非常薄的(de)n型半(ban)導體和較(jiao)厚的(de)p型半(ban)導體構造光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)管(guan)。n側(ce)具有(you)豐富(fu)的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)并且被(bei)(bei)認為是陰極(ji)(ji)，而p側(ce)具有(you)豐富(fu)的(de)空穴并且被(bei)(bei)認為是陽極(ji)(ji)。當具有(you)足夠能量的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)（即(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)）照射到二(er)極(ji)(ji)管(guan)時，它(ta)產生電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi) - 空穴對(dui)。空穴向陽極(ji)(ji)移(yi)動(dong)，而電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)向陰極(ji)(ji)移(yi)動(dong)，從而產生光(guang)(guang)(guang)(guang)感應電(dian)(dian)(dian)流（即(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)流）。
太陽能電池
太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)只(zhi)是(shi)光電(dian)(dian)(dian)二(er)(er)極(ji)管，具有特別大的表面積。這些較大的區域(yu)允許太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)對入射(she)光更(geng)敏感，并且在電(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)流方面比光電(dian)(dian)(dian)二(er)(er)極(ji)管更(geng)強大。太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)通常用于太陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)板，但它們也經常用作可見光探測(ce)器中的光敏元件。例子包括測(ce)光表和光敏繼電(dian)(dian)(dian)器。
光電晶體管
您可能已經(jing)猜到，光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)是光(guang)(guang)(guang)敏晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)。有(you)兩種(zhong)常見類(lei)(lei)型：第一種(zhong)類(lei)(lei)似于BJT（雙極結型晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)），第二種(zhong)類(lei)(lei)似于FET（場(chang)效應(ying)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)）。BJT型光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)的基極被光(guang)(guang)(guang)敏區域取(qu)代；當此表面(mian)保持(chi)(chi)黑(hei)暗時(shi)，設備保持(chi)(chi)關閉狀(zhuang)態。FET型光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（有(you)時(shi)稱為光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)FET）使用光(guang)(guang)(guang)來產生控制漏(lou)源(yuan)電(dian)(dian)流的柵極電(dian)(dian)壓(ya)。與BJT型光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)相比，FET型光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)對光(guang)(guang)(guang)的變(bian)化更敏感。
光隔離器
光隔(ge)(ge)離(li)器(qi)（也稱為光耦(ou)合器(qi)）是(shi)(shi)通過(guo)光學(xue)接口互(hu)連兩(liang)(liang)個(ge)電(dian)路的(de)電(dian)子設(she)備。例(li)如，典型的(de)光隔(ge)(ge)離(li)器(qi)由(you)LED和光電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)組成，兩(liang)(liang)者都(dou)封裝在不(bu)透(tou)光的(de)外殼中。光隔(ge)(ge)離(li)器(qi)的(de)LED部分連接到(dao)驅動電(dian)路，光電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)是(shi)(shi)輸出設(she)備。因此，當LED通電(dian)時(shi)，它發射由(you)光電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)檢測(ce)到(dao)的(de)光子。光隔(ge)(ge)離(li)器(qi)的(de)典型應用是(shi)(shi)在兩(liang)(liang)個(ge)獨立電(dian)路之(zhi)間提供(gong)電(dian)隔(ge)(ge)離(li)。
光纖
光(guang)纖與光(guang)電器件(jian)結合使用，以便通過調制光(guang)傳輸(shu)信息。下面的圖6是光(guang)纖電纜的簡(jian)單(dan)描述。
圖6.光纖電纜的簡單描述。
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