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在本文中，我们将讨论(lun)光(guang)(guang)电(dian)(dian)子学(xue)的基础知识，包括光(guang)(guang)子学(xue)的简短讲解。光(guang)(guang)电(dian)(dian)子学(xue)是研究和应用使(shi)用光(guang)(guang)的电(dian)(dian)子设备。这(zhei)些装(zhuang)置包括发光(guang)(guang)的装(zhuang)置（LED和灯泡），通(tong)道光(guang)(guang)（光(guang)(guang)纤电(dian)(dian)缆(lan)），检测光(guang)(guang)（光(guang)(guang)电(dian)(dian)二(er)极(ji)管(guan)和光(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻），或由光(guang)(guang)控制（光(guang)(guang)隔离器和光(guang)(guang)电(dian)(dian)晶体管(guan)）。

什么是光电子学？

术语光(guang)电子(zi)学是一门专注(zhu)于发光(guang)或光(guang)检(jian)测器(qi)件的电子(zi)学科(ke)。

发光(guang)装(zhuang)置(zhi)使用电压和电流来产生电磁辐射（即光(guang)）。这种发光(guang)装(zhuang)置(zhi)通常用于照明或(huo)作为指(zhi)示灯。

相反，光(guang)(guang)检测(ce)器(qi)件(jian)，例如光(guang)(guang)电(dian)晶(jing)体(ti)管，被(bei)设计(ji)成将(jiang)接收(shou)的(de)(de)电(dian)磁(ci)能转换(huan)成电(dian)流或电(dian)压。光(guang)(guang)检测(ce)装置可用(yong)于光(guang)(guang)传感(gan)和(he)通信。这些(xie)示例包括(kuo)黑暗激(ji)活开关和(he)遥控器(qi)。一般而(er)言，光(guang)(guang)检测(ce)装置通过使(shi)用(yong)光(guang)(guang)子来(lai)释(shi)放(fang)半导体(ti)材(cai)料(liao)内(nei)的(de)(de)束缚(fu)电(dian)子。

图1至图4示出了(le)各种光电器(qi)件。

图1.白炽灯。

图2. LED。图片由(you)Sinisa Maric提供(gong)。

图3.光敏电(dian)阻。图片由密(mi)歇根州立(li)大学提供（PDF）。

图4.太阳能电池。图片由(you)SparkFun提(ti)供。

光子研究综述

光(guang)(guang)(guang)子(zi)是(shi)(shi)电磁辐射(she)（EMR）的基(ji)(ji)本单位。光(guang)(guang)(guang)子(zi)具有传播频(pin)(pin)率(lv)，并(bing)且(qie)我们基(ji)(ji)于该频(pin)(pin)率(lv) - 微(wei)波EMR，红外EMR，光(guang)(guang)(guang)学(xue)EMR等(deng)对EMR进(jin)行分类(lei)(lei)。人(ren)眼对光(guang)(guang)(guang)学(xue)EMR敏感，其(qi)进(jin)一步分类(lei)(lei)为颜色(se)。颜色(se)不(bu)是(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)子(zi)的固有属性;相反，光(guang)(guang)(guang)子(zi)具有频(pin)(pin)率(lv)，人(ren)类(lei)(lei)将(jiang)这些不(bu)同(tong)的频(pin)(pin)率(lv)解释为不(bu)同(tong)的颜色(se)。

光子背后的一些物理学

光子频率与其(qi)波长（λ）之(zhi)间(jian)的(de)关系由下式给出：

λ=/f（单位为(wei)m）

ν=光子(zi)的速度或(huo)速度（单位为(wei)m/s）

f =频率（单位为Hz）

在自由空间(jian)中(zhong)，ν是光(guang)(guang)速（c = 3.0×108 m/s）。但在其他(ta)媒介中(zhong)，例如玻璃，ν变(bian)得(de)比(bi)光(guang)(guang)速慢。

具(ju)有较(jiao)(jiao)长波(bo)长（即较(jiao)(jiao)低(di)频率）的(de)(de)光(guang)子(zi)比(bi)具(ju)有较(jiao)(jiao)短波(bo)长（即较(jiao)(jiao)高频率）的(de)(de)光(guang)子(zi)具(ju)有较(jiao)(jiao)少的(de)(de)能量(liang)。

有关光子能(neng)量，频率和波长的更多(duo)信息(xi)，请参见(jian)图(tu)5。

图5.电(dian)磁（EM）频谱。图片由Inductiveload [CC-BY-SA-3.0]提供。

灯

诸如(ru)白(bai)炽灯泡之类的(de)(de)灯是(shi)将(jiang)电(dian)(dian)流(liu)转换(huan)成可见光(guang)(guang)(guang)能的(de)(de)装(zhuang)置。白(bai)炽灯具有(you)由钨丝制成的(de)(de)灯丝。当电(dian)(dian)流(liu)流(liu)过该灯丝时(shi)，电(dian)(dian)流(liu)与灯丝的(de)(de)原(yuan)子(zi)碰(peng)撞(zhuang)，导致(zhi)灯丝产(chan)生(sheng)热量，导致(zhi)光(guang)(guang)(guang)子(zi)发(fa)射(she)。这种(zhong)特殊的(de)(de)过程(cheng)产(chan)生(sheng)具有(you)各(ge)种(zhong)波长的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)，导致(zhi)发(fa)出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)呈现(xian)白(bai)色。

卤(lu)(lu)(lu)素灯(deng)(deng)(deng)类似于白(bai)炽灯(deng)(deng)(deng)。事实上，卤(lu)(lu)(lu)素灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)被认(ren)为是白(bai)炽灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)先进(jin)形式。卤(lu)(lu)(lu)素灯(deng)(deng)(deng)通常(chang)以其(qi)明亮的(de)(de)(de)(de)光和非常(chang)热的(de)(de)(de)(de)触(chu)摸灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)而(er)闻(wen)名。卤(lu)(lu)(lu)素灯(deng)(deng)(deng)使用位于加压灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)内的(de)(de)(de)(de)灯(deng)(deng)(deng)丝。加压气体由惰性(xing)气体和少量卤(lu)(lu)(lu)素元素如溴(xiu)或碘组成。而(er)且，卤(lu)(lu)(lu)素灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)玻璃比普通白(bai)炽灯(deng)(deng)(deng)泡(pao)中的(de)(de)(de)(de)玻璃强。

荧光(guang)灯(deng)是(shi)完全不同的(de)(de)(de)。它们(men)由水银蒸(zheng)汽填充的(de)(de)(de)玻璃管组成，其内壁涂有发荧光(guang)的(de)(de)(de)材料。当从(cong)荧光(guang)灯(deng)泡(pao)的(de)(de)(de)阴极(ji)(ji)电极(ji)(ji)发射的(de)(de)(de)电子(zi)与(yu)汞原(yuan)子(zi)碰撞时(shi)，发射UV（紫外线(xian)）辐射。这种紫外线(xian)辐射被灯(deng)的(de)(de)(de)荧光(guang)涂层吸收，从(cong)而释放出可见(jian)光(guang)。

发光二极管（LEDs）

发光二极(ji)管(guan)（LED）是双(shuang)引线(xian)半导体器(qi)件，与普通二极(ji)管(guan)类似(si)，不同之处在于它(ta)们(men)发出可见光，红外线(xian)或(huo)紫外线(xian)。 当(dang)LED的阳极(ji)引线(xian)的电压比其阴极(ji)引线(xian)更正（通常(chang)通过(guo)0.6到2.2V的电压）时，电流流过(guo)LED器(qi)件，从而产(chan)生发光。

从历史角度来(lai)看，红色(se)是(shi)(shi)第一种LED颜色(se)；它是(shi)(shi)在(zai)1962年开(kai)发的(de)，然后在(zai)1968年大规模生产(chan)。接(jie)下来(lai)是(shi)(shi)黄色(se)，绿色(se)和(he)红外LED。直(zhi)到1989年，蓝色(se)LED才开(kai)始商(shang)业化。如今，几(ji)乎(hu)任何LED颜色(se)，包括(kuo)白(bai)色(se)，都是(shi)(shi)市(shi)售的(de)。

激光二极管

激光(guang)二极管是(shi)半导体激光(guang)器(qi)件，其(qi)在形式和操作上与发光(guang)二极管（LED）非(fei)常相似。

光敏

光(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻(zu)(zu)只不过(guo)是(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)控可变电(dian)(dian)阻(zu)(zu)，也(ye)称为(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻(zu)(zu)（LDR）。通常，当(dang)(dang)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻(zu)(zu)放置在黑(hei)暗中时，其(qi)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)非常高（以(yi)兆欧(ou)为(wei)(wei)单位(wei)）。相反，当(dang)(dang)光(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻(zu)(zu)被照射(she)时，其(qi)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)急剧下(xia)降 - 取(qu)决于照射(she)在其(qi)上(shang)的光(guang)(guang)(guang)(guang)的强度，电(dian)(dian)阻(zu)(zu)可能低至数百欧(ou)姆(mu)。光(guang)(guang)(guang)(guang)敏电(dian)(dian)阻(zu)(zu)用(yong)于光(guang)(guang)(guang)(guang)敏开关器(qi)件。

光电二极管

光电二(er)极管(guan)是双引(yin)线半导体(ti)器件，其(qi)将光能（即(ji)(ji)光子(zi)）直接转换成(cheng)电流。使用非常薄的(de)n型半导体(ti)和较厚的(de)p型半导体(ti)构造光电二(er)极管(guan)。n侧具有丰富的(de)电子(zi)并(bing)且被认(ren)为(wei)是阴极，而p侧具有丰富的(de)空穴并(bing)且被认(ren)为(wei)是阳极。当(dang)具有足(zu)够能量的(de)光子(zi)（即(ji)(ji)光）照射到二(er)极管(guan)时，它产(chan)生(sheng)电子(zi) - 空穴对。空穴向(xiang)阳极移动，而电子(zi)向(xiang)阴极移动，从而产(chan)生(sheng)光感(gan)应电流（即(ji)(ji)光电流）。

太阳能电池

太(tai)(tai)阳能(neng)(neng)电(dian)(dian)(dian)池(chi)只是光(guang)电(dian)(dian)(dian)二极管(guan)，具有特别(bie)大(da)(da)的(de)(de)表(biao)面积。这些较大(da)(da)的(de)(de)区域允(yun)许太(tai)(tai)阳能(neng)(neng)电(dian)(dian)(dian)池(chi)对入(ru)射(she)光(guang)更敏(min)感，并且在电(dian)(dian)(dian)压和(he)电(dian)(dian)(dian)流方面比光(guang)电(dian)(dian)(dian)二极管(guan)更强(qiang)大(da)(da)。太(tai)(tai)阳能(neng)(neng)电(dian)(dian)(dian)池(chi)通常(chang)用(yong)于(yu)太(tai)(tai)阳能(neng)(neng)电(dian)(dian)(dian)池(chi)板，但它们也经(jing)常(chang)用(yong)作可(ke)见(jian)光(guang)探测器中的(de)(de)光(guang)敏(min)元件(jian)。例子包括测光(guang)表(biao)和(he)光(guang)敏(min)继电(dian)(dian)(dian)器。

光电晶体管

您可能已经(jing)猜到，光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)体管(guan)是光(guang)(guang)敏晶(jing)体管(guan)。有两种常(chang)见类型(xing)(xing)(xing)：第(di)一种类似(si)于(yu)(yu)BJT（双极结(jie)型(xing)(xing)(xing)晶(jing)体管(guan)），第(di)二(er)种类似(si)于(yu)(yu)FET（场(chang)效应晶(jing)体管(guan)）。BJT型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)体管(guan)的基极被光(guang)(guang)敏区域取代；当(dang)此(ci)表面保(bao)持(chi)黑暗时，设(she)备保(bao)持(chi)关(guan)闭状态。FET型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)体管(guan)（有时称为光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)FET）使用光(guang)(guang)来产生(sheng)控制漏(lou)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的栅极电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压。与(yu)BJT型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)体管(guan)相比，FET型(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)晶(jing)体管(guan)对(dui)光(guang)(guang)的变化更敏感。

光隔离器

光隔(ge)(ge)离(li)(li)器（也(ye)称为光耦(ou)合器）是通(tong)过光学接口(kou)互连两(liang)个电(dian)路的电(dian)子(zi)设(she)备(bei)。例如，典型的光隔(ge)(ge)离(li)(li)器由LED和光电(dian)晶体(ti)管组成，两(liang)者都封(feng)装在不透(tou)光的外壳中(zhong)。光隔(ge)(ge)离(li)(li)器的LED部分连接到驱动电(dian)路，光电(dian)晶体(ti)管是输出设(she)备(bei)。因此，当(dang)LED通(tong)电(dian)时，它发射由光电(dian)晶体(ti)管检测到的光子(zi)。光隔(ge)(ge)离(li)(li)器的典型应(ying)用是在两(liang)个独(du)立电(dian)路之间提供电(dian)隔(ge)(ge)离(li)(li)。

光纤

光纤与(yu)光电(dian)器件结合使用，以便通过(guo)调制光传(chuan)输(shu)信息。下面的图6是光纤电(dian)缆的简单描述。

图(tu)6.光纤电(dian)缆的(de)简单(dan)描述(shu)。

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