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基礎電子學 - 光電二極體
這些二極體依靠光線工作。“光電”（Opto）的意思是光。有些二極體的導通取決於光強，而另一些二極體的導通則會發出光。每種型別都有其自身的應用。讓我們討論一下其中比較突出的型別。
一些二極體的導通取決於照射在其上的光強。此類二極體主要分為兩種：光電二極體和太陽能電池。
光電二極體
顧名思義，光電二極體是一種基於光的PN接面。光強影響該二極體的導通程度。光電二極體具有P型材料和N型材料，兩者之間是本徵材料或耗盡區。
這種二極體通常在反向偏置狀態下工作。當光線聚焦在耗盡區時，會形成電子-空穴對，併發生電子流動。這種電子傳導取決於聚焦光線的強度。下圖顯示了一個實際的光電二極體。
下圖表示光電二極體的符號。
當二極體反向偏置時，由於熱生成的電子-空穴對，會流過小的反向飽和電流。由於反向偏置電流是由少數載流子引起的，因此輸出電壓取決於該反向電流。隨著聚焦在結上的光強增加，由少數載流子引起的電流也會增加。下圖顯示了光電二極體的基本偏置電路。
光電二極體封裝在一個玻璃外殼中，以允許光線照射到它上面。為了將光線精確地聚焦在二極體的耗盡區上，在結上方放置一個透鏡，如上圖所示。
即使沒有光線，也會流過少量電流，稱為暗電流。透過改變照明水平，可以改變反向電流。
光電二極體的優點
光電二極體具有許多優點，例如：
- 低噪聲
- 高增益
- 高速執行
- 對光的高靈敏度
- 低成本
- 體積小
- 壽命長
光電二極體的應用
光電二極體有許多應用，例如：
- 字元檢測
- 可以檢測物體（可見或不可見）。
- 用於需要高穩定性和速度的電路。
- 用於解調
- 用於開關電路
- 用於編碼器
- 用於光通訊裝置
另一種這樣的二極體是太陽能電池。雖然它是一個二極體，但被稱為電池。讓我們深入瞭解細節。
太陽能電池
光敏二極體包括太陽能電池，它是一個普通的PN接面二極體，但其導通是由光子流引起的，光子流被轉換成電子流。這類似於光電二極體，但它的另一個目的是將最大入射光轉換為能量並存儲能量。
下圖表示太陽能電池的符號。
太陽能電池的名稱和符號表明它儲存能量，儘管它是一個二極體。提取更多能量和儲存能量的功能集中在太陽能電池中。
太陽能電池的結構
將具有本徵材料耗盡區的PN接面二極體封裝在玻璃中。光線被照射到儘可能大的面積上，頂部覆蓋薄玻璃，以便以最小的電阻收集最大量的光線。
下圖顯示了太陽能電池的結構。
當光線照射到太陽能電池上時，光線中的光子與價電子碰撞。電子被激發離開母原子。因此產生電子流，並且該電流與聚焦到太陽能電池上的光強成正比。這種現象稱為光伏效應。
下圖顯示了太陽能電池的外觀以及多個太陽能電池如何組合在一起形成太陽能電池板。
光電二極體和太陽能電池的區別
光電二極體工作速度更快，更注重開關而不是提供更高的輸出功率。由於這個原因，它具有較低的電容值。此外，根據其應用，光電二極體中光能入射的面積較小。
太陽能電池專注於提供高輸出能量並儲存能量。它具有高電容值。其工作速度比光電二極體慢一些。根據太陽能電池的用途，光線入射的面積大於光電二極體。
太陽能電池的應用
太陽能電池有許多應用，例如：
科學技術
- 用於衛星的太陽能電池板
- 用於遙測
- 用於遠端照明系統等。
商業用途
- 用於儲存電力的太陽能電池板
- 用於行動式電源等。
- 用於家用用途，例如使用太陽能烹飪和加熱
電子產品
- 手錶
- 計算器
- 電子玩具等。
一些二極體根據施加的電壓發出光線。此類二極體主要分為兩種：LED和雷射二極體。
LED（發光二極體）
這是我們日常生活中最常用的二極體。它也是一個普通的PN接面二極體，只是在其結構中使用的材料不是矽和鍺，而是砷化鎵、磷化砷化鎵等。
下圖顯示了發光二極體的符號。
像普通的PN接面二極體一樣，它連線在正向偏置狀態下，以便二極體導通。當導帶中的自由電子與價帶中的空穴結合時，LED中就會發生導通。這種複合過程會發出光。這個過程被稱為電致發光。發射光的顏色取決於能帶之間的間隙。
所用材料也會影響顏色，例如，磷化砷化鎵發出紅色或黃色光，磷化鎵發出紅色或綠色光，氮化鎵發出藍色光。而砷化鎵發出紅外光。用於非可見紅外光的LED主要用於遙控器。
下圖顯示了不同顏色的實際LED外觀。
上圖中的LED有一個扁平面和一個彎曲面，扁平面上的引線比另一條引線短，以便指示較短的一條是陰極或負極，另一條是陽極或正極。
LED 的基本結構如下圖所示。
如上圖所示，當電子躍入空穴時，能量以光的形式自發耗散。LED是電流依賴型器件。輸出光強取決於透過二極體的電流。
LED的優點
LED 具有許多優點，例如：
- 高效率
- 高速
- 高可靠性
- 低熱耗散
- 壽命更長
- 低成本
- 易於控制和程式設計
- 高亮度和強度
- 低電壓和電流要求
- 佈線少
- 低維護成本
- 無紫外線輻射
- 即時照明效果
LED的應用
LED 有許多應用，例如：
在顯示器中
- 尤其用於七段顯示器
- 數字時鐘
- 微波爐
- 交通訊號
- 鐵路和公共場所的顯示屏
- 玩具
在電子裝置中
- 立體聲調諧器
- 計算器
- 直流電源
- 放大器中的開關指示燈
- 電源指示燈
商業用途
- 紅外可讀裝置
- 條形碼閱讀器
- 固態影片顯示器
光通訊
- 在光開關應用中
- 用於無法人工操作的光耦合
- 透過光纖進行資訊傳輸
- 影像感測電路
- 防盜報警器
- 在鐵路訊號技術中
- 門和其他安全控制系統
正如LED具有許多優點和應用一樣，還有一種重要的二極體稱為雷射二極體，它也具有許多先進功能和未來的發展前景。讓我們討論一下雷射二極體。
雷射二極體
雷射二極體是另一種流行的二極體。這是一種光學二極體，它透過受激過程發射光線。雷射（LASER）的含義是受激輻射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
受激輻射
這是一種PN接面二極體，其作用始於光線照射到它上面時。當光子入射到原子時，原子被激發併到達一個更高的能級，這可以稱為高能級。
當原子從較高能級躍遷到較低能級時，它會釋放出兩個光子，這兩個光子在特性上相似，並且與入射光子相位相同。這個過程稱為受激輻射。原子通常可以保持這種激發態10-8秒。
因此，上述過程奠定了雷射二極體的原理。
雷射二極體原理
每當光子入射到原子時，該原子就會從較低的能量狀態激發到較高的能量狀態，在這個過程中會釋放出兩個光子。實際上，原子通常可以保持這種激發態10-8秒。因此，為了實現放大，在這個激發過程中，使原子處於另一種稱為亞穩態的狀態，該狀態低於高能級，高於低能級。
原子可以在這個亞穩態停留10-3秒。當原子從亞穩態躍遷到低能級時，會釋放出兩個光子。如果在光子撞擊原子之前，有更多數量的原子處於激發態，那麼我們就有了雷射效應。
在這個過程中，我們需要理解兩個術語。亞穩態原子的數量多於低能級或基態原子的數量，這被稱為粒子數反轉。使原子從低能級躍遷到高能級以實現粒子數反轉的能量，稱為泵浦。這是光泵浦。
優點
雷射二極體有很多優點，例如：
- 雷射二極體的功耗要低得多
- 更高的開關速度
- 更緊湊
- 成本更低
- 它們比雷射發生器便宜
- 觸電的可能性較小
缺點
雷射二極體也有一些缺點，例如：
- 光束髮散性較大，因此質量不是很好
- 與LED相比，其壽命較短。
- 在不穩定的電源供電下容易損壞
應用
雷射二極體有很多應用，例如：
用作泵浦雷射器和種子雷射器
用於光儲存裝置
用於雷射印表機和雷射傳真機
用於雷射筆
用於條形碼閱讀器
它們用於DVD和CD驅動器
用於高畫質DVD和藍光技術
在工業上有許多用途，例如熱處理、包層、縫焊等。
在通訊技術中有很多用途，例如資料鏈路和傳輸。
在瞭解了所有這些之後，讓我們嘗試理解一些術語。
元件
- 元件是電子產品的單個基本單元。
- 它們在結構上具有不同的特性。
- 每個元件都有不同的應用。
例如：電阻器、電容器、二極體等。
電路
- 電路是不同元件的網路。
- 電路中的元件共同實現預期的目的。
- 如果電路需要工作，則應包含電源。
例如：削波和鉗位電路、放大器電路、繼電器電路等。
裝置
裝置是由不同的電路組成的裝置。
裝置中的所有電路都有助於其發揮作用。
裝置可用於測量訊號、產生訊號、控制結果或保護電路等等。
例如：示波器、函式發生器等。
固態器件
以前我們使用真空管，真空管基於熱電子原理，內部充滿真空。它們比今天的元件尺寸更大。這些真空管已被半導體器件取代，半導體器件也稱為固態器件。
有源器件
能夠控制電流流動的器件（或更準確地說，元件）可以稱為有源器件。
- 它們需要一些輸入電源才能導通。
- 這些元件的工作方式決定了電路的行為。
例如：真空管、二極體、電晶體、SCR等。
無源器件
不能控制電流流動的器件（或更準確地說，元件）可以稱為無源器件。
- 它們不需要輸入電源即可工作。
- 這些元件的工作方式會略微改變電路的行為。
例如：電阻器、電容器、電感器等。
摻雜
新增電子或產生空穴以改變半導體材料特性的過程，可以透過使其更正或更負來理解為摻雜。
二極體的應用包括從削波和鉗位電路開始的許多電路，這些將在電子電路教程中討論。