Базовая электроника - оптоэлектронные диоды

Это диоды, которые работают на свету. Слово «Опто» означает « Свет» . Существуют типы, которые проводят в зависимости от интенсивности света и других типов, проводимость которых дает некоторое количество света. У каждого типа есть свои приложения. Давайте обсудим выдающиеся типы среди этих.

Некоторые диоды проводят по интенсивности падающего на них света. В этой категории есть два основных типа диодов. Это фотодиоды и солнечные батареи.

Фотодиод

Фотодиод, как следует из названия, представляет собой PN-переход, который работает на свету. Интенсивность света влияет на уровень проводимости в этом диоде. Фотодиод имеет материал типа P и материал типа N с внутренним материалом или областью обеднения между ними.

Этот диод обычно работает в режиме обратного смещения . При фокусировке света в области обеднения образуются электронно-дырочные пары и возникает поток электронов. Эта проводимость электронов зависит от интенсивности сфокусированного света. На рисунке ниже показан практичный фотодиод.

Фотодиод

На рисунке ниже обозначен символ для фотодиода.

Фотодиод Символ

Когда диод подключен в обратном смещении, небольшой ток обратного насыщения протекает из-за термически генерируемых пар электронных дырок. Поскольку ток в обратном смещении течет из-за неосновных носителей, выходное напряжение зависит от этого обратного тока. По мере того, как интенсивность света, сфокусированного на соединении, увеличивается, ток, текущий из-за неосновных носителей, увеличивается. На следующем рисунке показана основная схема смещения фотодиода.

Фотодиоды смещения

Фотодиод заключен в стеклянную упаковку, чтобы свет падал на него. Чтобы точно сфокусировать свет на области истощения диода, над переходом размещается линза, как показано выше.

Даже когда света нет, течет небольшое количество тока, которое называется Темным током. Изменяя уровень освещения, можно изменить обратный ток.

Преимущества фотодиода

Фотодиод имеет много преимуществ, таких как -

  • Тихий шум
  • Высокий коэффициент усиления
  • Высокая скорость работы
  • Высокая чувствительность к свету
  • Бюджетный
  • Маленький размер
  • Долгая жизнь

Применение фотодиодов

Есть много приложений для фотодиодов, таких как -

  • Обнаружение персонажа
  • Объекты могут быть обнаружены (видимые или невидимые).
  • Используется в цепях, требующих высокой стабильности и скорости.
  • Используется в демодуляции
  • Используется в коммутационных цепях
  • Используется в кодировщиках
  • Используется в оптическом оборудовании связи

Другой диод такого типа - солнечная батарея. Это называется ячейкой, хотя это диод. Давайте углубимся в детали.

Солнечная батарея

Светозависимые диоды включают солнечный элемент, который является нормальным диодным PN-переходом, но имеет проводимость благодаря потоку фотонов, которые преобразуются в поток электронов. Это похоже на фотодиод, но он имеет другую цель преобразования максимального падающего света в энергию и сохранения его.

На рисунке ниже представлен символ солнечного элемента.

Солнечная батарея

У солнечного элемента есть свое имя и символ, указывающий на накопление энергии, хотя это диод. Особенность извлечения большей энергии и ее хранения сосредоточена в солнечном элементе.

Строительство Солнечной батареи

Соединительный диод PN с внутренним материалом в области делеции сделан для инкапсуляции в стекле. Свет направлен на максимально возможную площадь с тонким стеклом в верхней части, чтобы собрать максимум света с минимальным сопротивлением.

На следующем рисунке показана конструкция солнечного элемента.

Строительство солнечных батарей

Когда свет падает на солнечный элемент, его фотоны сталкиваются с валентными электронами. Электроны заряжены, чтобы покинуть родительские атомы. Таким образом генерируется поток электронов, и этот ток прямо пропорционален интенсивности света, сфокусированного на солнечном элементе. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом .

На следующем рисунке показано, как выглядит солнечный элемент и как несколько солнечных элементов вместе образуют солнечную панель.

Солнечная панель

Разница между фотодиодом и солнечным элементом

Фотодиод работает быстрее и концентрируется на переключении, а не обеспечивает большую мощность на выходе. Из-за этого он имеет низкое значение емкости. Также область падения световой энергии меньше в фотодиодах, в соответствии с его применениями.

Солнечный элемент концентрируется на доставке высокой выходной энергии и хранении энергии. Это имеет высокое значение емкости . Операция немного медленнее, чем фотодиод. В соответствии с назначением солнечного элемента площадь падения света больше, чем у фотодиода.

Применение солнечной батареи

Есть много приложений для солнечных батарей, таких как -

Наука и технология

  • Используется в солнечных панелях для спутников
  • Используется в телеметрии
  • Используется в системах удаленного освещения и т. Д.

Коммерческое использование

  • Используется в солнечных панелях для хранения электроэнергии
  • Используется в портативных источниках питания и т. Д.
  • Используется в быту, например, для приготовления пищи и обогрева с использованием солнечной энергии.

Электронный

  • Часы
  • Калькуляторы
  • Электронные игрушки и др.

Некоторые диоды излучают свет в соответствии с приложенным напряжением. В этой категории есть два основных типа диодов. Это светодиоды и лазерные диоды.

LED (светоизлучающие диоды)

Это один из самых популярных диодов, используемых в нашей повседневной жизни. Это также обычный диод с PN-переходом, за исключением того, что вместо кремния и германия в его конструкции используются такие материалы, как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия.

На рисунке ниже показан символ светодиода.

СВЕТОДИОД

Как и обычный диод PN-перехода, он подключен в состоянии прямого смещения, так что диод проводит. Проводимость происходит в светодиоде, когда свободные электроны в зоне проводимости соединяются с отверстиями в валентной зоне. Этот процесс рекомбинации излучает свет . Этот процесс называется электролюминесценцией . Цвет излучаемого света зависит от зазора между энергетическими полосами.

Используемые материалы также влияют на цвет, как, например, фосфид арсенида галлия излучает красный или желтый, фосфид галлия излучает красный или зеленый, а нитрат галлия излучает синий свет. Принимая во внимание, что арсенид галлия излучает инфракрасный свет. Светодиоды для невидимого инфракрасного света используются в основном в пультах дистанционного управления.

На следующем рисунке показано, как выглядят практичные светодиоды разных цветов.

светодиоды

Светодиод на приведенном выше рисунке имеет плоскую сторону и изогнутую сторону, провод на плоской стороне выполнен короче другого, чтобы указать, что более коротким является катодный или отрицательный вывод, а другим - анодный или положительный вывод. ,

Основная структура светодиода показана на рисунке ниже.

Светодиодная конструкция

Как показано на рисунке выше, когда электроны прыгают в отверстия, энергия рассеивается в виде света самопроизвольно. Светодиод является токовозависимым устройством. Интенсивность выходного света зависит от тока через диод.

Преимущества светодиодов

Есть много преимуществ светодиодов, таких как -

  • Высокая эффективность
  • Высокоскоростной
  • Высокая надежность
  • Низкое тепловыделение
  • Большая продолжительность жизни
  • Бюджетный
  • Легко контролируется и программируется
  • Высокий уровень яркости и интенсивности
  • Требования к низкому напряжению и току
  • Требуется меньше проводки
  • Низкие эксплуатационные расходы
  • Нет УФ-излучения
  • Эффект мгновенного освещения

Применение светодиодов

Есть много приложений для светодиодов, таких как -

В дисплеях

  • Специально используется для отображения семи сегментов
  • Цифровые часы
  • Микроволновые печи
  • Дорожная сигнализация
  • Выставочные стенды на железных дорогах и в общественных местах
  • игрушки

В электронной технике

  • Стерео тюнеры
  • Калькуляторы
  • Источники постоянного тока
  • Индикаторы включения / выключения в усилителях
  • Индикаторы мощности

Коммерческое использование

  • Инфракрасные считываемые машины
  • Считыватели штрих-кода
  • Твердотельные видео дисплеи

Оптическая связь

  • В приложениях оптической коммутации
  • Для оптической связи, где ручная помощь недоступна
  • Передача информации через ВОК
  • Схемы восприятия изображения
  • Охранная сигнализация
  • В железнодорожной технике сигнализации
  • Дверные и другие системы контроля безопасности

Подобно тому, как светодиод имеет много преимуществ и применений, существует еще один важный диод, называемый лазерный диод, который также имеет много расширенных функций и возможностей в будущем. Давайте поговорим о лазерном диоде.

Лазерный диод

Лазерный диод является еще одним популярным диодом в своем роде. Это оптический диод, который излучает свет, но с стимулированным процессом. Название LASER подразумевает L ight A усиление S timulated E миссии R adiation.

Лазерный диод

Вынужденная эмиссия

Это диод PN-перехода, действие которого начинается, когда на него падает луч света. С помощью светового луча, когда фотоны падают на атом, атом возбуждается и достигает верхнего уровня, который можно назвать более высоким энергетическим уровнем .

Когда атом переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень , он выделяет два фотона, которые по своим характеристикам аналогичны падающему фотону и находятся в равной фазе с ним. Этот процесс называется стимулированным излучением . Обычно атом может оставаться в этом возбужденном состоянии в течение 10 -8 секунд .

Итак, вышеуказанный процесс устанавливает принцип действия лазерного диода.

Принцип лазерного диода

Всякий раз, когда фотон падает на атом, этот атом возбуждается из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией, и два фотона высвобождаются в этом процессе. Фактически, атом обычно может оставаться в этом возбужденном состоянии в течение 10 -8 секунд. Таким образом, для достижения усиления во время этого возбужденного процесса атом переводится в другое состояние, называемое метастабильным состоянием, которое находится ниже более высокого энергетического уровня и выше более низкого энергетического уровня.

Атом может оставаться в этом метастабильном состоянии в течение 10 -3 секунд. Пока атом попадает из этого в нижнее состояние, два фотона высвобождаются. Если в возбужденном состоянии находится большее количество атомов до того, как фотоны поразят атомы, то мы получим эффект генерации .

Принцип лазерного диода

В этом процессе нам нужно понять два термина. Наличие большего числа атомов в метастабильном состоянии, чем в состоянии с более низкой энергией или в основном состоянии, называется инверсией населения . Тогда энергия, которая позволяет атомам отправляться из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией для достижения инверсии населенности, называется накачкой . Это оптическая накачка .

Практический лазерный диод

преимущества

Есть много преимуществ лазерного диода, таких как -

  • Мощность, используемая лазерными диодами, значительно меньше
  • Более высокая скорость включения / выключения
  • Более компактный
  • Дешевле
  • Они дешевле лазерных генераторов
  • Меньше шансов на поражение электрическим током

Недостатки

Есть несколько недостатков лазерного диода, таких как -

  • Более расходящиеся лучи и, следовательно, качество не так хорошо
  • Их срок службы меньше по сравнению со светодиодом.
  • Склонен к повреждению при нестабильном питании

Приложения

Есть много применений лазерного диода, таких как -

  • Используется как лазер накачки и лазер для семян

  • Используется в оптических устройствах хранения данных

  • Используется в лазерных принтерах и лазерных факсах

  • Используется в лазерных указках

  • Используется в считывателях штрих-кодов

  • Они используются в приводах DVD и CD

  • Используется в технологиях HD DVD и BLU RAY

  • Имеет много промышленных целей, таких как термообработка, облицовка, сварка шва и т. Д.

  • Имеет много применений в коммуникационных технологиях, таких как связывание и передача данных.

Пройдя через все это, давайте попробуем понять несколько терминов.

Компонент

  • Компоненты являются отдельными базовыми элементами электроники.
  • Они имеют разные свойства по отношению к их конструкции.
  • Каждый компонент имеет разные приложения.

Ex - резистор, конденсатор, диод и т. Д.

схема

  • Цепь представляет собой сеть различных компонентов
  • Компоненты в цепи, в целом, выживают по назначению.
  • Если цепь должна быть активной, должен содержать источник питания.

Ex - схемы клипсатора и зажима, цепи усилителя, цепи реле и т. Д.

устройство

  • Устройство - это оборудование, состоящее из разных цепей.

  • Все схемы в устройстве помогают ему функционировать, чтобы служить своей цели.

  • Устройство может использоваться для измерения сигналов, генерации сигналов, контроля результатов или защиты цепей и так далее.

Ex - CRO, генератор функций и т. Д.

Твердотельные устройства

Раньше у нас были вакуумные трубки, которые работают по термоэлектронному принципу и внутри заполнены вакуумом. Они были больше по размеру, чем сегодняшние компоненты. Эти вакуумные трубки были заменены полупроводниковыми устройствами, которые также называются твердотельными устройствами .

Активные устройства

Устройства (или точно компоненты), которые могут управлять потоком тока, можно назвать активными устройствами.

  • Они требуют некоторого входного питания, чтобы войти в проводимость.
  • Работа этих компонентов определяет поведение схемы.

Ex - Вакуумные трубки, диоды, транзисторы, SCR

Пассивные устройства

Устройства (или точно компоненты), которые не могут управлять потоком тока, можно назвать пассивными устройствами.

  • Они не требуют ввода питания для работы.
  • Работа этих компонентов немного меняет поведение схемы.

Ex - резистор, конденсатор, индуктор и т. Д.

Легирование

Процесс добавления электронов или создания дырок для изменения характеристик полупроводникового материала, либо путем создания более положительного, либо путем создания более отрицательного, можно понимать как допинг .

Применение диодов включает в себя множество цепей, начиная от цепей ограничителя и зажима, что будет обсуждаться в руководстве по электронным схемам.