Введение в оптоэлектронику
В этой статье мы расскажем об основах оптоэлектроники, включая краткую лекцию о фотонах. Также будут обсуждаться различные оптоэлектронные устройства, включая лампы, светодиоды, фотодиоды, фоторезисторы, лазерные диоды и другие.
Что такое оптоэлектроника "// www.allaboutcircuits.com/technical-articles/understanding-illuminance-whats-in-a-lux/" target = "_ blank"> light). Такие светоизлучающие устройства обычно используются для освещения или в качестве индикаторов
Напротив, светочувствительные устройства, такие как фототранзисторы, предназначены для преобразования полученной электромагнитной энергии в электрический ток или напряжение. Светочувствительные устройства могут использоваться для светового зондирования и связи. В качестве примера можно привести переключатели, активированные с помощью темноты, и пульты дистанционного управления. В общем, устройства обнаружения света работают с использованием фотонов для освобождения связанных электронов в полупроводниковых материалах.
На рисунках с 1 по 4 показаны различные оптоэлектронные устройства.
Рисунок 1. Лампа накаливания
Рисунок 2. Светодиоды. Изображение предоставлено Синисой Марич
Рисунок 3. Фоторезистор. Изображение предоставлено Университетом штата Мичиган (PDF)
Рисунок 4. Солнечная ячейка. Изображение предоставлено SparkFun
Обзор фотонов
Фотоны являются основными единицами электромагнитного излучения (ЭМИ). Фотоны имеют частоту распространения, и мы классифицируем ЭМИ на основе этого частотно-СВЧ-ЭМИ, инфракрасного ЭМИ, оптического ЭМИ и т. Д. Человеческий глаз чувствителен к оптическому EMR, который далее классифицируется в цвета. Цвет не является неотъемлемым свойством фотонов; скорее, фотоны имеют частоту, и люди интерпретируют эти разные частоты как разные цвета.
Некоторая физика за фотонами
Связь между частотой фотонов и длиной волны (λ) определяется следующим образом:
λ = ν / f (в единицах метров)
где
- ν = скорость или скорость фотона (единицы м / с)
- f = частота (в единицах Гц)
В свободном пространстве ν - скорость света (c = 3, 0 × 10 8 м / с). Но в других средах, таких как стекло, ν становится медленнее, чем скорость света.
Фотон с более длинной длиной волны (т. Е. Более низкая частота) имеет меньше энергии, чем фотон с более короткой длиной волны (т. Е. Более высокой частотой).
См. Рис. 5 для получения дополнительной информации о энергии, частоте и длине волны фотона.
Рисунок 5. Электромагнитный (ЭМ) спектр. Изображение предоставлено Inductiveload (CC-BY-SA-3.0)
Лампы
Лампы, такие как лампы накаливания, являются устройствами, которые преобразуют электрический ток в энергию видимого света. Лампы накаливания имеют нить из вольфрамовой проволоки. По мере протекания тока через эту нить, ток сталкивается с атомами нити накала, заставляя нить накапливать тепло, в результате чего испускаются фотоны. Этот конкретный процесс производит фотоны с различными длинами волн, в результате чего испускаемый свет становится беловатым по цвету.
Галогенные лампы аналогичны лампам накаливания. Фактически, галогенные лампы считаются передовой формой лампы накаливания. Галогенные лампы обычно известны как их ярким светом, так и их очень горячими лампами. Галогенная лампа использует нить, которая находится внутри лампы с газовым давлением. Газ под давлением состоит из инертного газа и небольшого количества галогенового элемента, такого как бром или йод. Кроме того, стекло галогенной лампы больше, чем стекло в обычной лампе накаливания.
Люминесцентные лампы совершенно разные. Они состоят из заполненной ртутью стеклянной трубки, внутренняя стенка которой покрыта материалом, который флуоресцирует. Когда электроны, излучаемые катодным электродом флуоресцентной лампы, сталкиваются с атомами ртути, излучается УФ (ультрафиолетовое) излучение. Это УФ-излучение поглощается флуоресцентным покрытием лампы, которое, в свою очередь, освобождает видимый свет.
светодиоды
Светоизлучающие диоды (светодиоды) представляют собой двухпроводные полупроводниковые приборы, которые аналогичны обычным диодам, за исключением того, что они излучают свет, который может быть видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым. Когда светодиодный анодный провод становится более положительным по напряжению, чем его катодный вывод (обычно с напряжением от 0, 6 до 2, 2 В), ток протекает через светодиодное устройство, что приводит к испусканию света.
В историческом плане красный цвет был первым светодиодным цветом; он был разработан в 1962 году, а затем массой, выпущенным в 1968 году. Затем появились желтые, зеленые и инфракрасные светодиоды. Только в 1989 году синий светодиод стал коммерчески доступным. В настоящее время практически любой цвет светодиодов, включая белый, доступен в продаже.
Лазерные диоды
Лазерный диод представляет собой полупроводниковое лазерное устройство, которое очень похоже, как в форме, так и в работе, на светодиод (LED). Более подробную информацию о лазерных диодах можно найти здесь.
Фоторезисторы
Фоторезисторы - это не что иное, как переменные резисторы с регулируемым освещением, также известные как светозависимые резисторы (LDR). Как правило, когда фоторезистор помещается в темноту, его сопротивление очень велико (в мегаомах). Напротив, когда освещен фоторезистор, его сопротивление резко падает - в зависимости от интенсивности света, сияющего на нем, сопротивление может быть столь же низким, как и сотни Ом. Фоторезисторы используются в светочувствительных коммутационных устройствах.
Фотодиоды
Фотодиоды представляют собой двухпроводные полупроводниковые приборы, которые преобразуют световую энергию (т. Е. Фотоны) непосредственно в электрический ток. Фотодиод построен с использованием очень тонкого полупроводника n- типа, а также более толстого полупроводника p- типа. N-я сторона имеет обилие электронов и считается катодом, а р- сторона имеет обилие дырок и считается анодом. Когда фотон (т. Е. Свет) достаточной энергии ударяет по диоду, он создает электронно-дырочную пару. Отверстия движутся к аноду, а электроны движутся к катоду, создавая тем самым индуцированный светом ток (т. Е. Фототок).
Солнечные батареи
Солнечные элементы - это просто фотодиоды с исключительно большими поверхностными областями. Эти большие площади позволяют солнечным элементам быть более чувствительными к входящему свету, а также более мощным - как по напряжению, так и по току, чем фотодиодам. Солнечные элементы обычно используются в солнечных батареях, но они также часто используются в качестве светочувствительных элементов в детекторе видимого света. Примеры включают световые индикаторы и светочувствительные реле.
фототранзисторы
Как вы, возможно, догадались, фототранзисторы являются светочувствительными транзисторами. Существует два распространенных типа: первый напоминает BJT (биполярный переходный транзистор), а второй аналогичен FET (полевой транзистор). Фототранзистор типа BJT заменен базой на светочувствительную область; когда эта поверхность остается темной, устройство остается выключенным. Фототранзистор типа FET, иногда называемый фото-FET, использует свет для генерирования напряжения затвора, который контролирует ток стока. Фототранзисторы типа FET более чувствительны к изменениям света по сравнению с фототранзисторами типа BJT.
Оптоизоляторы
Оптоизоляторы (также известные как оптопары) - это электрические устройства, которые соединяют две цепи с помощью оптического интерфейса. Например, типичный оптоизолятор состоит из светодиода и фототранзистора, оба из которых заключены в герметичную оболочку. Светодиодная часть оптоизолятора подключается к цепи возбуждения, а фототранзистор - выходным устройством. Соответственно, когда светодиод включен, он испускает фотоны, которые обнаруживаются фототранзистором. Типичное применение оптоизолятора заключается в обеспечении электрической изоляции между двумя отдельными цепями.
Оптоволокно
Оптическое волокно используется в сочетании с оптоэлектронными устройствами для передачи информации через модулированный свет. На рисунке 6 ниже представлено простое изображение оптоволоконного кабеля.
Рисунок 6. Простое изображение оптоволоконного кабеля
Резюме
Оптоэлектроника - это исследование и применение электронных устройств, которые используют свет. К таким устройствам относятся те, которые излучают свет (светодиоды и лампочки), свет канала (волоконно-оптические кабели), обнаруживают свет (фотодиоды и фоторезисторы) или управляются светом (оптоизоляторы и фототранзисторы).