Десятый класс
  1. Механика  1.1. Динамика  1.1.1. Движение в одном измерении  1.1.2. Движение в двух измерениях  1.1.3. Смещение и расстояние  1.1.4. Скорость и Вектор  1.1.5. Ускорение  1.1.6. Графическое представление движения  1.1.7. Equations of motion  1.1.8. Свободное падение и ускорение свободного падения  1.1.9. Движение тела, брошенного под углом к горизонту  1.1.10. Относительная скорость  1.2. Динамика  1.2.1. Законы движения Ньютона  1.2.2. Инерция и масса  1.2.3. Сила и ее виды  1.2.4. Сила действия и противодействия  1.2.5. Friction and its effects  1.2.6. Коэффициент трения  1.2.7. Круговое движение  1.2.8. Центростремительная сила и центростремительное ускорение  1.2.9. Импульс и количество движения  1.2.10. Conservation of momentum  1.2.11. Третий закон Ньютона и его применения  1.3. Работа, энергия и мощность  1.3.1. Работа, совершаемая силой  1.3.2. Теорема о работе и энергии  1.3.3. Кинетическая энергия  1.3.4. Потенциальная энергия  1.3.5. Mechanical energy  1.3.6. Сохранение энергии  1.3.7. Мощность и эффективность  1.3.8. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии  1.4. Гравитационная сила  1.4.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.4.2. Гравитационное поле и напряженность поля  1.4.3. Ускорение свободного падения на разных планетах  1.4.4. Законы движения планет Кеплера  1.4.5. Orbits and satellites  1.4.6. Вес и кажущийся вес  1.4.7. Гравитационная потенциальная энергия
  2. Свойства материи  2.1. States of matter  2.1.1. Твердое, жидкое и газообразное  2.1.2. Molecular structure of matter  2.1.3. Межмолекулярные силы  2.1.4. Плазма и конденсат Бозе–Эйнштейна  2.2. Давление  2.2.1. Определение давления  2.2.2. Pressure in liquids  2.2.3. Атмосферное давление  2.2.4. Принцип Паскаля  2.2.5. Принцип Архимеда и плавучесть  2.2.6. Поверхностное натяжение и капиллярность  2.3. Эластичность  2.3.1. Закон Гука  2.3.2. Stress and strain  2.3.3. Предел упругости и модуль упругости  2.3.4. Применения упругости
  3. Thermal physics  3.1. тепло и температура  3.1.1. Difference Between Heat and Temperature  3.1.2. Температурная шкала  3.1.3. Тепловое расширение  3.1.4. Тепловое равновесие  3.2. Теплопередача  3.2.1. Проводимость  3.2.2. Конвекция  3.2.3. Излучение  3.2.4. Insulation and its applications  3.3. Тепловые свойства вещества  3.3.1. Удельная теплоемкость  3.3.2. Скрытая теплота и фазовые переходы  3.3.3. Boiling and Melting Point  3.3.4. Тепловые двигатели и холодильные установки  3.4. Законы термодинамики  3.4.1. Нулевой закон термодинамики  3.4.2. Первый закон термодинамики  3.4.3. Второй закон термодинамики  3.4.4. Цикл Карно
  4. Волны и оптика  4.1. Природа и свойства волн  4.1.1. Типы волн в природе и свойства волн  4.1.2. Поперечные и продольные волны  4.1.3. Параметры волн  4.1.4. Отражение и преломление волн  4.1.5. Суперпозиция и интерференция  4.1.6. Стоячие волны и резонанс  4.1.7. Эффект Доплера  4.2. Звуковые волны  4.2.1. Характеристики звуковых волн  4.2.2. Скорость звука в разных средах  4.2.3. Применение звуковых волн  4.2.4. Ультразвук и его использование  4.3. Light Waves and Optics  4.3.1. Природа света  4.3.2. Отражение света  4.3.3. Laws of reflection  4.3.4. Mirrors and Image Formation  4.3.5. Преломление света  4.3.6. Закон Снелла  4.3.7. Линзы и образование изображения  4.3.8. Полное внутреннее отражение и критический угол  4.3.9. Оптическое волокно  4.4. Оптические приборы  4.4.1. Microscope  4.4.2. Телескоп  4.4.3. Человеческий глаз и дефекты зрения  4.4.4. Камера и принцип ее работы
  5. Электричество и магнетизм  5.1. Электростатика  5.1.1. Электрический заряд и его свойства  5.1.2. Проводники и изоляторы  5.1.3. Coulomb's law  5.1.4. Электрическое поле и линии поля  5.1.5. Electric potential and potential difference  5.1.6. Конденсаторы и емкость  5.2. Ток электричества  5.2.1. Electric current and its measurement  5.2.2. Закон Ома  5.2.3. Сопротивление и удельное сопротивление  5.2.4. Последовательные и параллельные цепи  5.2.5. Электрическая энергия и мощность  5.2.6. Законы Кирхгофа  5.3. Магнетизм и электромагнетизм  5.3.1. Магнитное поле и линии поля  5.3.2. Магнитные эффекты электрического тока  5.3.3. Электромагнитная индукция  5.3.4. Законы электромагнитной индукции Фарадея  5.3.5. Трансформаторы и их применение  5.3.6. AC and DC current
  6. Современная физика  6.1. Nuclear physics  6.1.1. Структура атома  6.1.2. Атомная модель Бора  6.1.3. Энергетические уровни электронов  6.1.4. Рентгеновские лучи и их применение  6.2. Радиоактивность  6.2.1. Виды радиации  6.2.2. Half-life and radioactive decay  6.2.3. Ядерные реакции и их применения  6.2.4. Деление и Синтез  6.3. Quantum physics  6.3.1. Дуализм волна-частица  6.3.2. Photoelectric effect  6.3.3. Квантизация энергии  6.3.4. Принцип неопределённости Гейзенберга
  7. Электроника и связь  7.1. Полупроводники  7.1.1. Проводники, изоляторы и полупроводники  7.1.2. Диоды и их применение  7.1.3. Транзисторы и логические элементы  7.1.4. Светодиоды и фотодиоды  7.2. Системы Коммуникации  7.2.1. Основы коммуникации  7.2.2. Аналоговые и цифровые сигналы  7.2.3. Беспроводная связь и оптоволоконная связь  7.2.4. Радиоволны и модуляция

Десятый класс → Электроника и связь → Полупроводники ↓


Светодиоды и фотодиоды


В увлекательном мире электроники и связи полупроводники играют важную роль. Два из самых распространенных и незаменимых компонентов — это светодиод (Light Emitting Diode) и фотодиод. Эти компоненты являются неотъемлемой частью множества приложений, начиная от базовой электроники и заканчивая сложными системами связи.

Понимание полупроводников

Прежде чем углубляться в светодиоды и фотодиоды, важно понять, что такое полупроводники. Полупроводники — это вещества, имеющие уровень проводимости между проводниками (такими как металлы) и изоляторами (такими как стекло). Наиболее распространенный полупроводниковый материал — кремний. Полупроводники используются для управления и усиления электрических сигналов, что делает их необходимыми для электронных устройств.

Светодиоды

Светодиоды — это особые типы диодов, которые излучают свет, когда через них протекает электрический ток. Излучаемый свет может быть разных цветов, в зависимости от материала, использованного в светодиоде.

Как работают светодиоды

Светодиоды изготовлены из специального типа полупроводникового материала. Когда подается ток, электроны проходят через полупроводник и выделяют энергию в виде фотонов, создавая свет. Этот процесс называется электролюминесценцией.

Визуальное представление символа светодиода с линиями электрического тока.

Общие применения светодиодов

  • Индикаторные лампы на бытовой технике и электронике.
  • Подсветка дисплеев устройств, таких как смартфоны и телевизоры.
  • Дорожные и светофорные огни.
  • Декоративное освещение и рекламные дисплеи.

Преимущества светодиодов

Светодиоды имеют несколько преимуществ перед традиционными источниками света, такими как лампы накаливания:

  • Энергоэффективность: Светодиоды потребляют меньше энергии для создания того же количества света.
  • Долговечность: Они имеют длительный срок службы, что снижает необходимость частой замены.
  • Прочность: Светодиоды более прочные и устойчивы к ударам и вибрации.
  • Экологичность: Они не содержат токсичных элементов, таких как ртуть.

Фотодиоды

Фотодиоды — это полупроводниковые устройства, которые преобразуют свет в электрический ток. Они используются в самых разных приложениях, таких как световые сенсоры, солнечные батареи и оптические коммуникационные устройства.

Как работают фотодиоды

Фотодиоды изготовлены из того же полупроводникового материала, что и светодиоды. Однако вместо излучения света они работают наоборот — поглощая свет. Когда свет попадает на фотодиод, он возбуждает электроны, создавая пары электрон-дырка, что генерирует ток.

Визуальное представление символа фотодиода с стрелками поглощения света.

Применения фотодиодов

  • Оптические коммуникации: Фотодиоды используются в системах волоконно-оптической связи для преобразования световых сигналов в электрические.
  • Световые сенсоры: Широко используются в устройствах, измеряющих интенсивность света, таких как люксметры и камеры.
  • Солнечные батареи: Фотодиоды могут использоваться для преобразования солнечного света в электрическую энергию.
  • Медицинские устройства: Используются в медицинской визуализации и диагностическом оборудовании.

Типы фотодиодов

Существует несколько типов фотодиодов, каждый из которых подходит для различных приложений:

  • PN фотодиод: Базовый тип, сконструированный из PN-переходов, который используется в простых приложениях.
  • PIN фотодиод: Имеет внутренний слой между p-типа и n-типа материалами, что обеспечивает лучшую производительность с точки зрения скорости и чувствительности.
  • Лавинный фотодиод: Использует лавинный эффект для достижения высокой чувствительности и усиления.

Физика светодиодов и фотодиодов

Функционирование светодиодов и фотодиодов основано на различных фундаментальных принципах физики, связанных с полупроводниками.

Энергетические полосы и запрещенная зона

В физике твердого тела зонная теория объясняет поведение электронов в твердых веществах с использованием энергетических полос:

1. Валентная зона: Энергетическая полоса, где электроны существуют при нулевой энергии.

2. Зона проводимости: Электроны получают достаточно энергии и движутся свободно, способствуя электрической проводимости.

3. Запрещенная зона: Разница в энергии между валентной зоной и зоной проводимости. В полупроводниках этот разрыв позволяет контролировать поток электронов.

Энергия запрещенной зоны < E_Conduction - E_Valence

PN переход

PN переход создается путем совмещения p-типа и n-типа полупроводниковых материалов. Это позволяет светодиодам и фотодиодам работать:

  • Для светодиодов, когда они смещены в прямом направлении, электроны и дырки объединяются на переходе и излучают свет.
  • Для фотодиодов, когда они смещены в обратном направлении, входящие фотоны возбуждают электроны, создавая электрический ток.
p-типа n-типа Область истощения

Иллюстрация PN-перехода с показом области истощения.

Заключение

Светодиоды и фотодиоды являются критическими компонентами в области электроники и связи благодаря своей эффективности, функциональности и универсальности. Понимание их работы, приложений и, особенно, подлежащей полупроводниковой физики дает нам ясное представление о том, как современные электроники используют эти компоненты для широкого спектра практических решений. От освещения наших домов до обеспечения высокоскоростного подключения к Интернету, воздействие светодиодов и фотодиодов глубоко и повсеместно в нашем технологическом обществе.


Десятый класс → 7.1.4


U
username
0%
завершено в Десятый класс

← Предыдущий (7.1.3)
Транзисторы и логические элементы
Следующий (7.2) →
Системы Коммуникации

Комментарии 



Светодиоды и фотодиоды

https://www.physicsflow.com/g10/7.1.4?pfal=ru