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基础电子学 - 光电二极管
这些是靠光工作的二极管。“Opto”一词的意思是光。有些类型的传导取决于光强度，而其他类型的传导则传递一些光。每种类型都有自己的应用程序。让我们讨论一下其中的突出类型。
一些二极管根据落在其上的光强度进行传导。该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
光电二极管，顾名思义，是一种靠光工作的PN结。光的强度影响该二极管的传导水平。光电二极管具有 P 型材料和 N 型材料，其间具有本征材料或耗尽区。
该二极管通常工作在反向偏置条件下。当光聚焦在耗尽区时，形成电子空穴对并发生电子流动。电子的这种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。
下图表示光电二极管的符号。
当二极管以反向偏压连接时，由于热产生的电子空穴对，会流过小的反向饱和电流。由于少数载流子导致反向偏置电流流动，因此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。为了将光精确地聚焦在二极管的耗尽区，在结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
- 高速运转
- 对光敏感度高
- 低成本
- 小尺寸
- 使用寿命长
光电二极管的应用
光电二极管有很多应用，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
- 应用于光通讯设备
另一种此类二极管是太阳能电池。虽然它是一个二极管，但它被称为一个单元。让我们详细了解一下。
太阳能电池
光敏二极管包括太阳能电池，它是一个普通的 PN 结二极管，但通过转换为电子流的光子流来传导。这类似于光电二极管，但它的另一个目标是将最大入射光转换为能量并存储它。
下图表示太阳能电池的符号。
太阳能电池虽然是二极管，但其名称和符号表示能量存储。提取更多能量并将其存储的功能集中在太阳能电池上。
太阳能电池的构造
将在缺失区域具有本征材料的PN结二极管封装在玻璃中。顶部采用薄玻璃，使光线尽可能入射到最大面积，从而以最小的阻力收集最大的光线。
下图显示了太阳能电池的结构。
当光入射到太阳能电池上时，光中的光子与价电子碰撞。电子被激发而离开母体Atomics。因此产生电子流，并且该电流与聚焦到太阳能电池上的光强度成正比。这种现象称为光伏效应。
下图显示了太阳能电池的外观以及如何将多个太阳能电池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，并专注于开关而不是在输出端提供更多功率。因此它的电容值较低。根据其应用，光电二极管的光能入射面积也较小。
太阳能电池专注于提供高输出能量并存储能量。这具有高电容值。操作速度比光电二极管慢一些。根据太阳能电池的用途，光的入射面积比光电二极管大。
太阳能电池的应用
太阳能电池有很多应用，例如 -
科学和技术
- 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，例如利用太阳能做饭和取暖
电子的
- 手表
- 计算器
- 电子玩具等
有些二极管根据施加的电压发光。该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了砷化镓、砷化镓磷化物等材料，而不是硅和锗。
下图显示了发光二极管的符号。
与普通 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。这个重组过程会发出光。这个过程称为电致发光。发出的光的颜色取决于能带之间的间隙。
使用的材料也会影响颜色，例如砷化镓磷化物发出红色或黄色光，磷化镓发出红色或绿色光，硝酸镓发出蓝光。而砷化镓会发出红外线。不可见红外光的 LED 主要用于遥控器。
下图展示了不同颜色的实用 LED 的样子。
上图中的LED有平坦的一面和弯曲的一面，平坦的一侧的引线比另一侧的引线短，以表明较短的一侧为阴极或负极端子，另一侧为阳极或正极端子。
LED的基本结构如下图所示。
如上图所示，当电子跃入空穴时，能量以光的形式自发耗散。LED 是一种依赖于电流的器件。输出光强度取决于通过二极管的电流。
LED的优点
LED 有很多优点，例如 -
- 高效率
- 高速
- 高可靠性
- 散热低
- 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
- 维护成本低
- 无紫外线辐射
- 即时灯光效果
LED应用
LED 有很多应用，例如 -
在显示器中
- 特别适用于七段显示
- 数字时钟
- 微波炉
- 交通信号
- 铁路、公共场所展示牌
- 玩具
在电子电器领域
- 立体声调音器
- 计算器
- 直流电源
- 放大器中的开/关指示器
- 电源指示灯
商业用途
- 红外可读机
- 条码阅读器
- 固态视频显示器
光通信
- 在光交换应用中
- 对于无法获得手动帮助的光耦合
- 通过FOC传输信息
- 图像传感电路
- 防盗警报器
- 铁路信号技术
- 门和其他安全控制系统
正如LED具有许多优点和应用一样，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的范围。让我们讨论一下激光二极管。
激光二极管
激光二极管是同类中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。激光这个名称意味着通过辐射的刺激E任务进行光放大。
受激发射
这是一个 PN 结二极管，当光线入射到它上面时，它就开始动作。通过光线，当光子入射到Atomics上时，Atomics被激发并达到较高能级，可以称为更高能级。
当Atomics从较高能级转移到较低能级时，它会释放两个光子，这两个光子的特性与入射光子相似，并且与其同相。这个过程称为受激发射。Atomics通常可以保持在这种激发态10 -8秒的时间。
因此，上述过程为激光二极管奠定了原理。
激光二极管原理
每当光子入射到Atomics上时，该Atomics就会从较低能态激发到较高能态，并在此过程中释放两个光子。实际上，Atomics一般可以保持在这种激发态10 -8秒的时间。因此，为了实现放大，在这个激发过程中，Atomics被置于另一种称为亚稳态的状态，该状态低于较高能级且高于较低能级。
Atomics可以保持这种元稳定状态10 -3秒。当Atomics由此进入较低状态时，会释放两个光子。如果在光子撞击Atomics之前有更多数量的Atomics处于激发态，那么我们就会产生激光效应。
在这个过程中，我们有两个术语需要理解。处于亚稳定态的Atomics数量多于处于低能态或基态的Atomics数量，称为粒子数反转。那么让Atomics从较低能态发送到较高能态以实现粒子数反转的能量，称为泵浦（Pumping）。这就是光泵浦。
优点
激光二极管有很多优点，例如 -
- 激光二极管使用的功率要少得多
- 更高的开/关切换速度
- 更紧凑
- 不会那么贵
- 它们比激光发生器便宜
- 减少触电的机会
缺点
激光二极管有一些缺点，例如 -
- 光线发散较多，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
应用领域
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
用于激光笔
用于条形码阅读器
它们用于 DVD 和 CD 驱动器
用于 HD DVD 和蓝光技术
具有多种工业用途，如热处理、熔覆、缝焊等。
在数据链接和传输等通信技术中有许多用途。
完成所有这些之后，让我们尝试理解一些术语。
成分
- 组件是电子产品的各个基本元件。
- 它们在构造方面具有不同的特性。
- 每个组件都有不同的应用。
Ex - 电阻器、电容器、二极管等。
电路
- 电路是不同组件的网络
- 电路中的所有组件都符合预期用途。
- 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以实现其目的。
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，其工作原理是热电子原理，内部充满真空。它们的尺寸比今天的组件更大。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。
有源设备
可以控制电流的器件（或精确的组件）可以称为有源器件。
- 它们需要一些输入电源才能导通。
- 这些组件的工作定义了电路的Behave。
Ex - 真空管、二极管、晶体管、SCR
无源器件
无法控制电流的器件（或精确的组件）可以称为无源器件。
- 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Behave。
Ex - 电阻器、电容器、电感器等。
兴奋剂
添加电子或产生空穴以改变半导体材料特性的过程（通过增加正电或增加负电）可以理解为掺杂。
二极管的应用包括从限幅器和钳位电路开始的许多电路，这些电路将在电子电路教程中讨论。