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基础电子学 - 光电二极管
这些二极管依靠光线工作。“光电”（Opto）的意思是光。有些二极管的导通取决于光强，而另一些二极管的导通则会发出光。每种类型都有其自身的应用。让我们讨论一下其中比较突出的类型。
一些二极管的导通取决于照射在其上的光强。此类二极管主要分为两种：光电二极管和太阳能电池。
光电二极管
顾名思义，光电二极管是一种基于光的PN结。光强影响该二极管的导通程度。光电二极管具有P型材料和N型材料，两者之间是本征材料或耗尽区。
这种二极管通常在反向偏置状态下工作。当光线聚焦在耗尽区时，会形成电子-空穴对，并发生电子流动。这种电子传导取决于聚焦光线的强度。下图显示了一个实际的光电二极管。
下图表示光电二极管的符号。
当二极管反向偏置时，由于热生成的电子-空穴对，会流过小的反向饱和电流。由于反向偏置电流是由少数载流子引起的，因此输出电压取决于该反向电流。随着聚焦在结上的光强增加，由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电路。
光电二极管封装在一个玻璃外壳中，以允许光线照射到它上面。为了将光线精确地聚焦在二极管的耗尽区上，在结上方放置一个透镜，如上图所示。
即使没有光线，也会流过少量电流，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
- 体积小
- 寿命长
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。虽然它是一个二极管，但被称为电池。让我们深入了解细节。
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，但其导通是由光子流引起的，光子流被转换成电子流。这类似于光电二极管，但它的另一个目的是将最大入射光转换为能量并存储能量。
下图表示太阳能电池的符号。
太阳能电池的名称和符号表明它储存能量，尽管它是一个二极管。提取更多能量和储存能量的功能集中在太阳能电池中。
太阳能电池的结构
将具有本征材料耗尽区的PN结二极管封装在玻璃中。光线被照射到尽可能大的面积上，顶部覆盖薄玻璃，以便以最小的电阻收集最大量的光线。
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，光线中的光子与价电子碰撞。电子被激发离开母原子。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的区别
光电二极管工作速度更快，更注重开关而不是提供更高的输出功率。由于这个原因，它具有较低的电容值。此外，根据其应用，光电二极管中光能入射的面积较小。
太阳能电池专注于提供高输出能量并储存能量。它具有高电容值。其工作速度比光电二极管慢一些。根据太阳能电池的用途，光线入射的面积大于光电二极管。
太阳能电池的应用
太阳能电池有许多应用，例如：
科学技术
- 用于卫星的太阳能电池板
- 用于遥测
- 用于远程照明系统等。
商业用途
- 用于储存电力的太阳能电池板
- 用于便携式电源等。
- 用于家用用途，例如使用太阳能烹饪和加热
电子产品
- 手表
- 计算器
- 电子玩具等。
一些二极管根据施加的电压发出光线。此类二极管主要分为两种：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。它也是一个普通的PN结二极管，只是在其结构中使用的材料不是硅和锗，而是砷化镓、磷化砷化镓等。
下图显示了发光二极管的符号。
像普通的PN结二极管一样，它连接在正向偏置状态下，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中就会发生导通。这种复合过程会发出光。这个过程被称为电致发光。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，磷化砷化镓发出红色或黄色光，磷化镓发出红色或绿色光，氮化镓发出蓝色光。而砷化镓发出红外光。用于非可见红外光的LED主要用于遥控器。
下图显示了不同颜色的实际LED外观。
上图中的LED有一个扁平面和一个弯曲面，扁平面上的引线比另一条引线短，以便指示较短的一条是阴极或负极，另一条是阳极或正极。
LED 的基本结构如下图所示。
如上图所示，当电子跃入空穴时，能量以光的形式自发耗散。LED是电流依赖型器件。输出光强取决于通过二极管的电流。
LED的优点
LED 具有许多优点，例如：
- 高效率
- 高速
- 高可靠性
- 低热耗散
- 寿命更长
- 低成本
- 易于控制和编程
- 高亮度和强度
- 低电压和电流要求
- 布线少
- 低维护成本
- 无紫外线辐射
- 即时照明效果
LED的应用
LED 有许多应用，例如：
在显示器中
- 尤其用于七段显示器
- 数字时钟
- 微波炉
- 交通信号
- 铁路和公共场所的显示屏
- 玩具
在电子设备中
- 立体声调谐器
- 计算器
- 直流电源
- 放大器中的开关指示灯
- 电源指示灯
商业用途
- 红外可读设备
- 条形码阅读器
- 固态视频显示器
光通信
- 在光开关应用中
- 用于无法人工操作的光耦合
- 通过光纤进行信息传输
- 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，还有一种重要的二极管称为激光二极管，它也具有许多先进功能和未来的发展前景。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。这是一种光学二极管，它通过受激过程发射光线。激光（LASER）的含义是受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
受激辐射
这是一种PN结二极管，其作用始于光线照射到它上面时。当光子入射到原子时，原子被激发并到达一个更高的能级，这可以称为高能级。
当原子从较高能级跃迁到较低能级时，它会释放出两个光子，这两个光子在特性上相似，并且与入射光子相位相同。这个过程称为受激辐射。原子通常可以保持这种激发态10-8秒。
因此，上述过程奠定了激光二极管的原理。
激光二极管原理
每当光子入射到原子时，该原子就会从较低的能量状态激发到较高的能量状态，在这个过程中会释放出两个光子。实际上，原子通常可以保持这种激发态10-8秒。因此，为了实现放大，在这个激发过程中，使原子处于另一种称为亚稳态的状态，该状态低于高能级，高于低能级。
原子可以在这个亚稳态停留10-3秒。当原子从亚稳态跃迁到低能级时，会释放出两个光子。如果在光子撞击原子之前，有更多数量的原子处于激发态，那么我们就有了激光效应。
在这个过程中，我们需要理解两个术语。亚稳态原子的数量多于低能级或基态原子的数量，这被称为粒子数反转。使原子从低能级跃迁到高能级以实现粒子数反转的能量，称为泵浦。这是光泵浦。
优点
激光二极管有很多优点，例如：
- 激光二极管的功耗要低得多
- 更高的开关速度
- 更紧凑
- 成本更低
- 它们比激光发生器便宜
- 触电的可能性较小
缺点
激光二极管也有一些缺点，例如：
- 光束发散性较大，因此质量不是很好
- 与LED相比，其寿命较短。
- 在不稳定的电源供电下容易损坏
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
用于高清DVD和蓝光技术
在工业上有许多用途，例如热处理、包层、缝焊等。
在通信技术中有很多用途，例如数据链路和传输。
在了解了所有这些之后，让我们尝试理解一些术语。
组件
- 组件是电子产品的单个基本单元。
- 它们在结构上具有不同的特性。
- 每个组件都有不同的应用。
例如：电阻器、电容器、二极管等。
电路
- 电路是不同组件的网络。
- 电路中的组件共同实现预期的目的。
- 如果电路需要工作，则应包含电源。
例如：削波和钳位电路、放大器电路、继电器电路等。
设备
设备是由不同的电路组成的设备。
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、产生信号、控制结果或保护电路等等。
例如：示波器、函数发生器等。
固态器件
以前我们使用真空管，真空管基于热电子原理，内部充满真空。它们比今天的组件尺寸更大。这些真空管已被半导体器件取代，半导体器件也称为固态器件。
有源器件
能够控制电流流动的器件（或更准确地说，组件）可以称为有源器件。
- 它们需要一些输入电源才能导通。
- 这些组件的工作方式决定了电路的行为。
例如：真空管、二极管、晶体管、SCR等。
无源器件
不能控制电流流动的器件（或更准确地说，组件）可以称为无源器件。
- 它们不需要输入电源即可工作。
- 这些组件的工作方式会略微改变电路的行为。
例如：电阻器、电容器、电感器等。
掺杂
添加电子或产生空穴以改变半导体材料特性的过程，可以通过使其更正或更负来理解为掺杂。
二极管的应用包括从削波和钳位电路开始的许多电路，这些将在电子电路教程中讨论。