基础电子学 - 光电二极管
这些二极管依靠光工作。"Opto"一词的意思是光。有些类型的二极管根据光强度进行导电，而其他类型的二极管则通过导电传递一些光。每种类型都有自己的应用。让我们讨论一下其中的突出类型。
有些二极管根据照射在它们身上的光强度进行导电。这一类别中有两种主要类型的二极管。它们是光电二极管和太阳能电池。
光电二极管
顾名思义，光电二极管是一种依靠光工作的 PN 结。光的强度会影响此二极管的导电水平。光电二极管具有 P 型材料和 N 型材料，中间是本征材料或耗尽区。
此二极管通常在反向偏置条件下工作。当光聚焦在耗尽区时，会形成电子-空穴对，并发生电子流动。电子的传导取决于聚焦光的强度。下图显示了一个实用的光电二极管。
下图显示了光电二极管的符号。
当二极管以反向偏置连接时，由于热产生的电子空穴对，会产生较小的反向饱和电流。由于少数载流子的存在，反向偏置电流会流动，输出电压取决于该反向电流。随着聚焦在结上的光强度增加，少数载流子引起的电流也会增加。下图显示了光电二极管的基本偏置布置。
光电二极管封装在玻璃封装中，以便光线照射到其上。为了将光线精确聚焦在二极管的耗尽区上，在结点上方放置了一个透镜，如上图所示。
即使没有光，也会有少量电流流动，称为暗电流。通过改变照明水平，可以改变反向电流。
光电二极管的优点
光电二极管具有许多优点，例如−
- 低噪声
- 高增益
- 高速运行
- 对光的高灵敏度
- 低成本
- 小尺寸
- 长寿命
光电二极管的应用
光电二极管有许多应用，例如 −
- 字符检测
- 可以检测物体（可见或不可见）。
- 用于需要高稳定性和速度的电路。
- 用于解调
- 用于开关电路
- 用于编码器
- 用于光通信设备
另一种这样的二极管是太阳能电池。虽然它是二极管，但它被称为电池。让我们深入了解细节。
太阳能电池
光依赖二极管包括太阳能电池，它是一种普通的 PN 结二极管，但其传导是通过光子冲击转换成电子流来实现的。这类似于光电二极管，但它还有另一个目的，即将最大入射光转换为能量并储存起来。
下图表示太阳能电池的符号。
太阳能电池虽然是二极管，但其名称和符号却表示储存能量。太阳能电池集中了提取更多能量并储存能量的功能。
太阳能电池的构造
在缺失区中具有本征材料的 PN 结二极管被制成封装在玻璃中。光线通过顶部的薄玻璃照射到最大面积上，从而以最小的阻力收集最多的光线。
下图显示了太阳能电池的结构。
当光线照射到太阳能电池上时，光线中的光子会与价电子发生碰撞。电子被激发离开母原子。因此产生了电子流，该电流与聚焦到太阳能电池上的光强度成正比。这种现象被称为光伏效应。
下图显示了太阳能电池的外观以及多个太阳能电池如何组合在一起形成太阳能电池板。
光电二极管和太阳能电池之间的区别
光电二极管工作速度更快，专注于切换，而不是在输出端提供更多功率。因此，它的电容值较低。此外，根据其应用，光电二极管的光能入射面积较小。
太阳能电池专注于提供高输出能量并储存能量。这具有高电容值。操作比光电二极管慢一点。根据太阳能电池的用途，光的入射面积大于光电二极管。
太阳能电池的应用
太阳能电池有很多应用，例如 −
科学技术
- 用于卫星太阳能电池板
- 用于遥测
- 用于远程照明系统等。
商业用途
- 用于太阳能电池板储存电力
- 用于便携式电源等。
- 用于家庭用途，例如使用太阳能烹饪和取暖
电子产品
- 手表
- 计算器
- 电子玩具等。
有些二极管根据施加的电压发光。此类别中有两种主要类型的二极管。它们是 LED 和激光二极管。
LED（发光二极管）
这是我们日常生活中最常用的二极管。这也是一个普通的 PN 结二极管，只不过其结构中使用的不是硅和锗，而是砷化镓、磷化砷化镓等材料。
下图显示了发光二极管的符号。
与普通的 PN 结二极管一样，它在正向偏置条件下连接，以便二极管导通。当导带中的自由电子与价带中的空穴结合时，LED 中就会发生传导。这种复合过程会发出光。这个过程称为电致发光。发射光的颜色取决于能带之间的间隙。
所用材料也会影响颜色，例如，砷化镓磷化物发出红色或黄色，磷化镓发出红色或绿色，硝酸镓发出蓝光。而砷化镓发出红外光。不可见红外光的 LED 主要用于遥控器。
下图显示了不同颜色的实际 LED 的外观。
上图中的LED有一面是平的，另一面是弯的，平的一面的引线比另一面短，以表明较短的一面是阴极或负极，而另一面是阳极或正极。
LED的基本结构如下图所示。
如上图所示，当电子跳入空穴时，能量会以光的形式自发耗散。LED是一种电流依赖型器件。输出光强度取决于流过二极管的电流。
LED 的优点
LED 具有许多优点，例如 −
- 高效率
- 高速
- 高可靠性
- 低散热
- 更长的使用寿命
- 低成本
- 易于控制和编程
- 高亮度和强度
- 低电压和电流要求
- 所需接线更少
- 低维护成本
- 无紫外线辐射
- 即时照明效果
LED 的应用
LED 具有许多应用，例如 −
显示器
- 特别用于七段显示器
- 数字时钟
- 微波炉
- 交通信号
- 铁路和公共场所的显示板
- 玩具
电子设备
- 立体声调谐器
- 计算器
- 直流电源
- 放大器的开/关指示器
- 电源指示器
商业用途
- 红外可读机
- 条形码阅读器
- 固态视频显示器
光通信
- 在光开关应用中
- 用于无法手动帮助的光耦合
- 通过 FOC 传输信息
- 图像传感电路
- 防盗报警器
- 在铁路信号技术中
- 门和其他安全控制系统
正如 LED 具有许多优点和应用一样，还有另一种重要的二极管称为激光二极管，它也具有许多先进的功能和未来前景。让我们讨论一下激光二极管。
激光二极管
激光二极管是另一种流行的二极管。这是一种发光但具有受激过程的光学二极管。 LASER 这个名称意味着通过 S 刺激 E 辐射发射进行 光放大。
受激发射
这是一种 PN 结二极管，当光线照射到它上面时，它就开始起作用。当光线照射到原子上时，光子会被激发，并达到一个较高的能级，这个能级可以称为较高能级。
当原子从较高能级转移到较低能级时，它会释放两个光子，这两个光子特性相似，并且与其相位相同。这个过程称为受激发射。原子通常可以保持这种激发态 10-8 秒 的时间。
因此，上述过程为激光二极管设定了原理。
激光二极管的原理
每当光子入射到原子上时，该原子就会从较低能态激发到较高能态，并且在此过程中会释放两个光子。实际上，原子通常可以保持这种激发态 10-8 秒的时间。因此，为了实现放大，在此激发过程中，原子被置于另一个称为亚稳态的状态，该状态低于较高能级且高于较低能级。
原子可以保持这种亚稳态 10-3 秒。当原子从此状态进入较低状态时，会释放两个光子。如果在光子撞击原子之前，处于激发态的原子数量较多，则会产生激光效应。
在此过程中，我们需要了解两个术语。处于亚稳态的原子数量多于处于低能态或基态的原子数量称为粒子数反转。然后，使原子从低能态传送到高能态以实现粒子数反转的能量称为泵浦。这是光泵浦。
优点
激光二极管有许多优点，例如−
- 激光二极管使用的功率要小得多
- 更高的开/关切换速度
- 更紧凑
- 更便宜
- 它们比激光发生器便宜
- 提供电击的机会更少
缺点
激光二极管有几个缺点，例如 −
- 发散光线较多，因此质量不太好
- 与 LED 相比，它们的使用寿命较短。
- 电源不稳定时容易损坏
应用
激光二极管有很多应用，例如 −
用作泵浦激光器和种子激光器
用于光学数据存储设备
用于激光打印机和激光传真机
用于激光指示器
用于条形码阅读器
它们用于 DVD 和 CD 驱动器
用于 HD DVD 和 BLU RAY 技术
具有许多工业用途，例如热处理、包覆、缝焊等。
在数据链接和传输等通信技术中有许多用途。
在了解了所有这些之后，让我们尝试理解一些术语。
组件
- 组件是电子产品的各个基本元素。
- 它们在构造方面具有不同的属性。
- 每个组件都有不同的应用。
Ex −电阻器、电容器、二极管等。
电路
- 电路是由不同组件组成的网络
- 电路中的组件共同实现预期目的。
- 如果电路必须处于活动状态，则应包含电源。
Ex − 限幅器和钳位器电路、放大器电路、继电器电路等。
设备
设备是由不同电路组成的设备。
设备中的所有电路都有助于其发挥作用。
设备可用于测量信号、生成信号、控制结果或保护电路等。
Ex − CRO、函数发生器等。
固态器件
以前我们使用真空管，它采用热电子原理工作，内部充满真空。它们的尺寸比今天的元件大。这些真空管被半导体器件取代，半导体器件也称为固态器件。
有源器件
可以控制电流的器件（或确切地说是元件）可称为有源器件。
- 它们需要一些输入电源才能导通。
- 这些元件的工作决定了电路的行为。
Ex −真空管、二极管、晶体管、可控硅
无源器件
无法控制电流的器件（或确切的组件）可称为无源器件。
- 它们不需要输入电源即可工作。
- 这些组件的工作会稍微改变电路的行为。
Ex − 电阻器、电容器、电感器等。
掺杂
通过增加电子或产生空穴来改变半导体材料特性的过程（通过使其更正或更负）可以理解为掺杂。
二极管的应用包括从限幅器和钳位器电路开始的许多电路，这些电路将在电子电路教程中讨论。
