在本文中，我們將討論光電子學的基礎知識，包括光子學的簡短講解。光電子學是研究和應用使用光的電子設備。這些裝置包括發光的裝置（LED和燈泡），通道光（光纖電纜），檢測光（光電二極管和光敏電阻），或由光控制（光隔離器和光電晶體管）。

什么是光電子學？

術語光電子學是一門專注于發光或光檢測器件的電子學科。

發光裝置使用電壓和電流來產生電磁輻射（即光）。這種發光裝置通常用于照明或作為指示燈。

相反，光檢測器件，例如光電晶體管，被設計成將接收的電磁能轉換成電流或電壓。光檢測裝置可用于光傳感和通信。這些示例包括黑暗激活開關和遙控器。一般而言，光檢測裝置通過使用光子來釋放半導體材料內的束縛電子。

圖1至圖4示出了各種光電器件。

圖1.白熾燈。

圖2. LED。圖片由Sinisa Maric提供。

圖3.光敏電阻。圖片由密歇根州立大學提供（PDF）。

圖4.太陽能電池。圖片由SparkFun提供。

光子研究綜述

光子是電磁輻射（EMR）的基本單位。光子具有傳播頻率，并且我們基于該頻率 - 微波EMR，紅外EMR，光學EMR等對EMR進行分類。人眼對光學EMR敏感，其進一步分類為顏色。顏色不是光子的固有屬性;相反，光子具有頻率，人類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

光子頻率與其波長（λ）之間的關系由下式給出：

λ=/f（單位為m）

ν=光子的速度或速度（單位為m/s）

f =頻率（單位為Hz）

在自由空間中，ν是光速（c = 3.0×108 m/s）。但在其他媒介中，例如玻璃，ν變得比光速慢。

具有較長波長（即較低頻率）的光子比具有較短波長（即較高頻率）的光子具有較少的能量。

有關光子能量，頻率和波長的更多信息，請參見圖5。

圖5.電磁（EM）頻譜。圖片由Inductiveload [CC-BY-SA-3.0]提供。

燈

諸如白熾燈泡之類的燈是將電流轉換成可見光能的裝置。白熾燈具有由鎢絲制成的燈絲。當電流流過該燈絲時，電流與燈絲的原子碰撞，導致燈絲產生熱量，導致光子發射。這種特殊的過程產生具有各種波長的光子，導致發出的光呈現白色。

鹵素燈類似于白熾燈。事實上，鹵素燈泡被認為是白熾燈泡的先進形式。鹵素燈通常以其明亮的光和非常熱的觸摸燈泡而聞名。鹵素燈使用位于加壓燈泡內的燈絲。加壓氣體由惰性氣體和少量鹵素元素如溴或碘組成。而且，鹵素燈泡的玻璃比普通白熾燈泡中的玻璃強。

熒光燈是完全不同的。它們由水銀蒸汽填充的玻璃管組成，其內壁涂有發熒光的材料。當從熒光燈泡的陰極電極發射的電子與汞原子碰撞時，發射UV（紫外線）輻射。這種紫外線輻射被燈的熒光涂層吸收，從而釋放出可見光。

發光二極管（LEDs）

發光二極管（LED）是雙引線半導體器件，與普通二極管類似，不同之處在于它們發出可見光，紅外線或紫外線。 當LED的陽極引線的電壓比其陰極引線更正（通常通過0.6到2.2V的電壓）時，電流流過LED器件，從而產生發光。

從歷史角度來看，紅色是第一種LED顏色；它是在1962年開發的，然后在1968年大規模生產。接下來是黃色，綠色和紅外LED。直到1989年，藍色LED才開始商業化。如今，幾乎任何LED顏色，包括白色，都是市售的。

激光二極管

激光二極管是半導體激光器件，其在形式和操作上與發光二極管（LED）非常相似。

光敏

光敏電阻只不過是光控可變電阻，也稱為光敏電阻（LDR）。通常，當光敏電阻放置在黑暗中時，其電阻非常高（以兆歐為單位）。相反，當光敏電阻被照射時，其電阻急劇下降 - 取決于照射在其上的光的強度，電阻可能低至數百歐姆。光敏電阻用于光敏開關器件。

光電二極管

光電二極管是雙引線半導體器件，其將光能（即光子）直接轉換成電流。使用非常薄的n型半導體和較厚的p型半導體構造光電二極管。n側具有豐富的電子并且被認為是陰極，而p側具有豐富的空穴并且被認為是陽極。當具有足夠能量的光子（即光）照射到二極管時，它產生電子 - 空穴對。空穴向陽極移動，而電子向陰極移動，從而產生光感應電流（即光電流）。

太陽能電池

太陽能電池只是光電二極管，具有特別大的表面積。這些較大的區域允許太陽能電池對入射光更敏感，并且在電壓和電流方面比光電二極管更強大。太陽能電池通常用于太陽能電池板，但它們也經常用作可見光探測器中的光敏元件。例子包括測光表和光敏繼電器。

光電晶體管

您可能已經猜到，光電晶體管是光敏晶體管。有兩種常見類型：第一種類似于BJT（雙極結型晶體管），第二種類似于FET（場效應晶體管）。BJT型光電晶體管的基極被光敏區域取代；當此表面保持黑暗時，設備保持關閉狀態。FET型光電晶體管（有時稱為光電FET）使用光來產生控制漏源電流的柵極電壓。與BJT型光電晶體管相比，FET型光電晶體管對光的變化更敏感。

光隔離器

光隔離器（也稱為光耦合器）是通過光學接口互連兩個電路的電子設備。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部分連接到驅動電路，光電晶體管是輸出設備。因此，當LED通電時，它發射由光電晶體管檢測到的光子。光隔離器的典型應用是在兩個獨立電路之間提供電隔離。

光纖

光纖與光電器件結合使用，以便通過調制光傳輸信息。下面的圖6是光纖電纜的簡單描述。

圖6.光纖電纜的簡單描述。

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