第一章-光电技术基础.ppt

光电技术 主讲马锡英教授 64学时 Optoelectronicstechnology 教材和参考资料 教材 王庆有等 光电技术 电子工业出版社 参考资料 光电技术概论 作者 安毓英等 电子工业出版社 光电技术 作者 江文杰施建华 科学出版社 2009 光电子技术基础教程 作者 郭培源梁丽北京航空航天大学 课程性质 专业必修课程考核平时成绩 30 期末考试 70 致谢承蒙参考书目 论文为课件提供了理论承蒙许多网站提供了各种资料声明此课件仅仅用于课堂教学 不得用于其他商业用途 成绩考核 致谢 基本内容 第1章光电技术基础第2章光电导器件第3章光生伏特器件第4章光电发射器件第5章热辐射探测器件第6章发光器件与光电耦合器件第7章光电信息变换第8章图像信息的光电变换第9章光电信号的数据采集与计算机接口技术第10章光电信息变换技术的典型应用第11章光电技术的新发展 典型的光电器件 1 半导体激光器 GaAs GaAlAs异质结激光器 2 PN结发光二极管 3 光电探测器 光敏电阻 红外探测器 pn结光伏探测器 4 光电池 非晶硅太阳能电池 硅光电池 5 光电成像系统 CCD电荷耦合器件 数码摄像 CMOS摄像器件 红外焦平面阵列 6 显示器 电致发光显示技术 LED 液晶显示 7 光纤通信 8 激光雷达 9 光纤传感器等 绪论 Introduction 光电技术是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门崭新的技术 主要内容是利用光电结合的原理和方法 实现信息的获取 发送 探测 传输 变换 存储 处理和重现等 光电技术是研究 光子 与物质中 电子 相互作用的一门科学 它以光学和电子学为基础 综合利用光学 电子学 精密机械 仪器仪表 材料科学 控制科学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科 21世纪的信息网络是以IP 或IP ATM 协议控制下的密集波分复用 DWDM 为基础的光核心网 包括有线 光纤或HFC 无线等不同接入类型 不同业务规模的各种接入网所形成的一个灵活 大容量的综合网 其中全光通信网 AON 是主体 全光网中的传输和交换容量均达到Tb s量级 将比现有传输速率提高100倍以上 光纤通信及其相应的光电子材料 器件 系统设备在内的市场在今后15 20年内仍会以高的速率持续增长 产品主要有连接器附件和元件 耦合器 衰减器 隔离器 波分复用器等 光电子产业 1 信息光电子产业 由于具有相干性好 单色性好 高亮度等独特优点 激光在工业和医疗方面的应用前景非常可观 可用来切割 焊接 打孔 热处理 划片 光刻以及用来进行手术 镇痛 理疗等治疗 激光加工设备还将继续沿高功率 高质量 高可靠 低成本的方向发展 2 能量光电子产业 光电子材料和元器件是光电子产业的基础 对光电子产业的发展起着决定性的作用 4 光子学及光通信器件主要包括光子的产生 探测 控制和处理 因此 必须有相应的光子学器件 光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多 这对信息技术的发展有很大的推动作用 3 光电子材料和元器件产业 5 光存储器件20世纪末期兴起的光存储 特别是光盘存储技术将对信息的存取产生重大影响 数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存储速度方向发展 角度 波长 空间与移动复用的全息存储可以实现和作为缓冲海量信息存储 三维存储技术 如光子引发的电子俘获三维存储光盘和光盘烧孔存储等高密度存储等 5 光传感器件光电传感器件在光信号的电学处理方面已经在通信 工业过程控制 光电信号处理以及光计算领域发挥巨大的作用 其蕴涵的市场份额是极为巨大的 6 光显示器件信息的显示体现了真正的人机互动关系 在光子与光电子材料与器件产业领域占有极为重要的地位 在这一领域可发展液晶显示 LCD 等离子体显示 PDP 电致发光显示 EL YAG激光显示等产业化工程 7 光能量转换器件 8 光学图像器件 第1章光电技术基础 光电器件构成 光辐射源 光源 外部产生 探测器 和内部产生 发光 两种 光电转换部分 光转换为电 或电转换为光 光辐射源 可见光 太阳 白炽灯 日光灯 激光器 发光二极管 荧光灯 水银灯 钠等 红外线 红外激光器 太阳 有机体即无机体 紫外线 紫外灯 X射线 放射性金属 射线 光探测器 光电效应 光电倍增管 可见光功率计 光通量计红外探测器紫外探测器荧光光谱仪纳曼光谱仪红外光谱仪单色仪 任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器 所以光辐射和光电转换原理是光电子技术的基本研究内容之一 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理 以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源 1 电磁波的性质与电磁波谱 由麦克斯韦的电磁场理论 变化的电场产生变化的磁场 而变化的磁场又产生变化的电场 这样就产生了电磁波 电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向 三者相互垂直 所以电磁波是横波 E和H传播方向构成右手螺旋系 沿给定方向传播的电磁波 E和H分别在各自平面内振动 这种特性称为偏振 电磁波的性质 在任一时刻空间任一点 E和H在量值上的关系为 电磁波在真空中传播的速度为介质中的传播速度为 空间各点E和H都作周期性变化 而且相位相同 即同时达到最大 同时减到最小 电磁波谱 2 光辐射光以电磁波形式或粒子 光子 形式传播的能量 可用光学元件反射 成像或色散 这种能量及其传播过程称为光辐射 一般认为其波长在10nm 1mm 或频率在3 1016Hz 3 1011Hz范围内 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分 紫外辐射 可见光和红外辐射 一般在可见到紫外波段波长用nm 在红外波段波长用 m表示 波数单位习惯用cm 1 可见光 通常人们提到的 光 指的是可见光 波长在390 770nm范围的光辐射 也是人视觉能感受到 光亮 的电磁波 当可见光进入人眼时 人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色 橙色 黄色 绿色 青色 蓝色和紫色 紫外辐射 紫外辐射比紫光波长更短 人眼看不见 波长范围是1 390nm 又分为近紫外 远紫外和极远紫外 极远紫外在空气中几乎会被完全吸收 只能在真空中传播 又称为真空紫外辐射 在进行太阳紫外辐射的研究中 常分为A波段 近紫外 B波段和C波段 远紫外 红外辐射 波长在0 77 1000 m的是红外辐射 通常分为近红外 中红外和远红外三部分 在可見光云图上 輻射越大 色調越白 輻射越小 色調越暗 通常云层越厚 反照率越大 色調也越白 而水面 象湖泊 海洋的反照率很小 表現为黑色 陸地反照率比海洋略大 表現为灰色 而潮湿或森林覆蓋的地區表現為灰暗的色調 在電視显示的卫星云图上 地表和海洋常用綠色和藍色表示 可見光云图 对光辐射进行定量描述 需引入计量光辐射的物理量 对于光辐射的探测和计量 存在着辐射度和光度学两套不同的单位体系 1 1辐射度学与光度学基本知识 1 在辐射度单位体系 2 光度单位体系 辐射度单位体系 辐通量 又称为辐射功率 或者辐射能是基本量 只与辐射客体有关的量 其基本单位是瓦特 W 或者焦耳 J 辐射度学适用于整个电磁波段 光度单位体系 反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位 被选作基本量的不是光通量而是发光强度 其基本单位是坎德拉 光度学只适用于可见光波段 两类单位体系中的物理量在物理概念上不同 但所用的物理符号一一对应 为了区别 在对应的物理量符号标角 e 表示辐射度物理量 角标 v 表示光度物理量 下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量 光度单位体系中的物理量可对比理解 1 辐射量 辐射能 以辐射形式发射或传输的电磁波能量 主要指紫外 可见光和红外辐射 一般用符号Qe表示 其单位是焦耳 J 辐射通量 辐射通量 e又称为辐射功率 为单位时间内流过的辐射能量 即单位 瓦特 W 或焦耳 秒 J s 辐射出射度Me 反映物体辐射能力的物理量 辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 即单位 W m2 辐射强度 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 用Ie表示 即单位 瓦特 球面度 1 W sr 1 即 如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是 e 则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量 有 辐射亮度 面辐射源在某一给定方向上的辐射通量 如图所示 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角 单位 瓦特 球面度 米2 W sr m2 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关 但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度 又称为余弦辐射体或朗伯体 1 式代入 2 式得到余弦辐射体的辐射亮度为 余弦辐射体的辐射亮度是均匀的 与方向角 无关 余弦辐射体的辐射出射度为 辐射照度 在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比 即单位 W m2 辐出度Me为出射强度 辐照度Ee为物体接受的强度 注意区别 反射体接受辐射后 一部分反射 一部分吸收 则反射出射度为 辐照量He 在一定时间内照射到物体某一面元的辐照度 单位 J m2曝光量Hv 物体表面在一定时间内接收到的光照度Ev 7 辐射效率与发光效率光源所发射的总通量 e与外界提供给光源的功率P之比 称为光源的辐射效率 e P 100 无量纲光源发射的总通量 e与提供的功率P之比 称为发光效率 v P 100 单位 流明每瓦 lm W 1 2 光源的光谱辐射参量光源发射的光能是按波长进行分布的 在单位波长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光度量 光源在波长 1 2区间内发射的辐通量 量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒发射光子能量的总和 若 d 区间的辐射通量为等d e 除以该波长的光子能量h 为光源在 处的光子总量 称为光谱量子流速率dN 在 1 2光谱量子流速率N 在可见光区 光源每秒发射的总光子数为 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应 故用辐射度单位不能正确反应人对光辐射亮暗感觉 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位 在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量 对应的来表示 其定义完全一一对应 其关系如表1所示 光度学的基本单位为坎德拉 也是国际单位制 SI 七个基本单位之一 定义为 一个光源发出频率为540 1012Hz的单色 黄色 辐射 若在给定方向上的辐射强度为1 683W sr 则该光源在该方向上的发光强度为1cd 任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波 这种由于物体中的分子 原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射 1 3物体热辐射 热辐射具有连续的辐射谱 波长自远红外区到紫外区 并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度 本节介绍热辐射的一些基本定律 1 单色吸收比和单色反射比 任何物体向周围发射电磁波的同时 也吸收周围物体发射的辐射能 当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时 一部分能量被吸收 另一部分能量从表面反射 如果物体是透明的 则还有一部分能量透射 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比 在波长 到 d 范围内的吸收比称为单色吸收比 用表示 若物体在任何温度下 对任何波长的辐射能的吸收比都等于1 即 则称该物体为绝对黑体 简称黑体 反射比 反射的能量与入射的能量之比 在波长 到 d 范围内相应的反射比称为单色反射比 用 T 表示 对于不透明的物体 单色吸收比和单色反射比之和等于1 即 2 基尔霍夫辐射定律在相同温度下 不同物体对相同波长的单色辐射出射度 M 与单色吸收比 之比都相等 并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度 即 式中为黑体的单色辐射出射度 3 普朗克公式黑体处于温度T时 在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 式中h为普朗克常数 c为真空中的光速 kB为波尔兹曼常数 令 则 3 式可改写为 不同温度条件下黑体的单色辐射出射度 辐射亮度 随波长的变化曲线 可见 对应任一温度 单色辐射出射度随波长连续变化 且只有一个峰值 对应不同温度的曲线不相交 因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度 即曲线下的面积 单色辐射出射度随温度的升高而增大 单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动 4 瑞利 琼斯公式当很大时 可得到适合于长波长区的瑞利 琼斯公式在时 瑞利 琼斯公式与普朗克公式的误差小于1 5 维恩公式当很小时 可得到适合于短波长区的维恩公式 在区域内 维恩公式与普朗克公式的误差小于1 6 维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长 7 斯忒藩 玻尔兹曼定律其中为斯忒藩 玻尔 兹曼常数 斯忒藩 玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关 而与黑体的其他性质无关 8 色温为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质 常用到色温度这个量 单位为K 色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度 色温度并非热辐射光源本身的温度 由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的 所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似 若规定的波长不同 色温度往往也不相同 至于非热辐射光源 色温度只能给出这个光源光色的大概情况 一般来说 色温高代表蓝 绿光成分多些 色温低则表示橙 红光的成分多些 1 4 1人眼的视觉灵敏度 用各种单色辐射分别刺激正常人 标准观察者 眼的锥状细胞 当刺激程度相同时 发现波长 0 555 m处的光谱辐射亮度Le m小于其它波长的光谱辐亮度Le 把波长 0 555 m的光谱辐射亮度Le m被其它波长的光谱辐亮度Le 除得的商 定义为正常人眼的V 即 明视觉光谱光视效率 通过对标准光度观察者的实验测定 在波长555nm处 L 有最大值 其数值为Lm 683lm W 单色光视效率是L 用Lm归一化的结果 其定义为 对于正常人眼的圆柱细胞 以微弱的各种单色辐射刺激时 发现在相同刺激程度下 波长为507nm处的光谱辐射亮度Le 507nm小于其他波长 的光谱辐射亮度Le 把Le 507nm与Le 的比值 V 也是一个无量纲的相对值 它与波长的关系如上图中的虚线所示 1 4 2暗视觉光谱光视效率 1 4 3辐射体光视效能 一个热辐射体发射的总光通量 v与总辐射通量 e之比 称为该辐射体的光视效能K 即 对发射连续光谱辐射的热辐射体 总光通量 v为 由上面的式子可以得到 式中 V是辐射体的光视效率 标准钨丝灯发光光谱的分布如图所示 图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射分 光谱光视效率V 和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 积分 为 曲线所围的面积Al 而积分 面积A2 因此 可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为 lm W 已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe 就能够计算出该辐射体的光度量Xv 该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式 例如 对于色温为2856K的标准钨丝灯其光视效能为17lm W 当标准钨丝灯发出的辐射通量为 e 100W时 其光通量为 v 1710lm 由此可见 色温越高的辐射体 它的可见光的成分越多 光视效能越高 光度量也越高 白炽钨丝灯的供电电压降低时 灯丝温度降低 灯的可见光部分的光谱减弱 光视效能降低 用照度计检测光照度时 照度将显著下降 例已知某He Ne激光器的输出功率为3mW 试计算其发出的光通量为多少lm 解He Ne激光器输出的光为光谱辐射通量 可以计算出它发出的光通量为 v K e e KmV e 683 0 24 3 10 3 0 492 lm 三 半导体的光电性质 1 半导体的光吸收 1 本征吸收 光照下 价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带 产生电子 空穴对 电子的这种带与带间跃迁的吸收过程 本征吸收发生的必要条件 光子能量h 大于等于禁带宽度Eg 即h h 0 Eg 本征吸收限 当光子频率小于 0 波长大于 0 时 吸收系数迅速下降 对应的频率 0或波长 0为本征吸收限 h Eg 只有波长小于 L的辐射才能产生本征吸收 直接跃迁 跃迁过程中 价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢k的导带上 直接带隙半导体 在本征吸收过程中 产生电子的直接跃迁过程 间接带隙半导体 导带极小值和价带极大值不具有相同的k的半导体 在本征吸收过程中 产生电子的间接跃迁过程 2 杂质吸收在半导体中掺入杂质原子 施主或受主原子 在半导体的带隙中引入杂质能级 束缚在杂质能级上的电子吸收光能发生跃迁引起的光吸收 Si Ge而言 施主通常是V族元素 电离能较小 在Si中约0 04 0 05eV Ge中约0 01eV 施主杂质 在半导体中产生导电电子 其掺杂的半导体称为n型半导体 施主杂质电离能 ED 受主杂质 能够接受电子而产生导电空穴的杂质 p型半导体 依靠价带空穴导电的半导体 受主杂质电离能 EA 如果光子的能量小于禁带宽度Eg或小于杂质电离能 ED或 EA 时 电子不能跃迁到导带称为自由电子 但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的电子 空穴对 这种电子 空穴对称为激子 激子吸收不会改变半导体的导电特性 3 激子吸收 杂质吸收限 杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限 4 自由载流子吸收当入射光子频率较小 不能引起导带 价带间的跃迁 但导带上的电子 空穴 在其所在的导带 价带 内的能级上跃迁发生的光吸收 通常称为带内跃迁 由于带内能级间隔很小 所以其吸收谱基本上为连续谱 5 晶格吸收 又称为声子吸收晶格原子对远红外普去的光子能量的吸收 转变为晶格振动的动能 宏观上引起物体温度的升高 1 6 光电效应 光辐射的物理效应分类 光子效应和光热效应 1 6 1内光电效应 1 光电导效应 光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种 本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收 导带中产生光生自由电子 价带中产生光生自由空穴 光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化 这在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应 种 光电导现象 只发生在半导体材料的体效应 金属没有光电导效应 外电场作用下 载流子漂移运动 在截面为S 长度为l的材料上流过电流I 则界面上的电流密度为J I S E 设导体的内的电子数密度为n 电子的漂移速度vd 则电流强度为 则电流密度为 电场不很强时 E 103V cm Vd和E成正比 设比例系数为 则满足关系式 Vd E J E 称为载流子的迁移率 反映电子在晶体中运动能力的大小 漂移电流 宏观角度 对半导体材料 电导率与迁移率成正比 半导体的电阻Rd 光照下在半导体中产生新的载流子 产生非平衡载流子 n p 影响电导率因素 1 载流子浓度 相关影响因素2 载流子迁移率 相关影响因素 平均自由时间 散射 碰撞 对n型半导体 n p nq n 对p型半导体 p n nq p 对本征半导体 p n niq n p 光辐射照射外加电压的半导体 如果光波长 满足如下条件 式中Eg是禁带宽度 Ei是杂质能带宽度 n和 p又称之为光生载流子 显然 n和 p将使半导体的电导增加一个量 G 我们称之为光电导 相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导 电导增量为 电导的增加将在外电路电流增加 i A bxd 在弱辐射作用下 半导体材料的光电导灵敏度为材料有关性质的常数 与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比 1 在弱辐射作用下 光生载流子浓度 ny等于光生空穴浓度 p n p 光电导灵敏度为可得 强辐射作用下 半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关 而且与入射辐射量有关 是非线性的 2 在强辐射的作用下 2 光生伏特效应 光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应 当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时 价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开 形成光生伏特电压或光生电流的现象 一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起 在其交接面处形成PN结 PN结是各种半导体器件 如结型晶体管 集成电路的心脏 pn结附近电离的受主 施主所带电荷称为空间电荷 不可移动 所在的区域为空间电荷区 热平衡下 多数载流子的扩散作用于少数载流子由于内电场的漂移作用相抵消 没有净电流通过pn结 称为零偏状态 如果pn结正向电压偏置 p正 n负 则有较大正向电流流过pn结 若pn结反向电压偏置 则有一很小的电流流过pn结 该电流在反向击穿前几乎不变 称为反向饱和电流 光照下 在P区光生空穴对空穴浓度影响很小 而对电子浓度影响很大 从P形成电子扩散势 若P区厚度小于电子扩散长度 则电子进入pn结 内建电场扫向n区 光生电子空穴对被内建电场分开 p区 n区两端形成负的开路电压 称为光生伏特效应 光伏现象 半导体材料的 结 效应 光照下激发电子 空穴对时 内建电场将电子空穴对分开 在势垒两侧形成电荷堆积 形成光生伏特效应 光照零偏pn结产生开路电压的效应 光伏效应 光电池 u0 R0i0光照反偏工作时 观察到的光电信号是光电流 不是光电压 结型光电探测器的工作原理反偏pn结通常称为光电二极管 当内建电场的方向为电流的正方向时 PN结两端接入适当的负载电阻RL 若入射辐射通量为 e 作用于PN结上 在负载电阻RL的两端产生压降U 流过负载电阻的电流应为 式中 I 为光生电流 Is为暗电流 当U 0 PN结被短路 时 输出电流ISC即短路电流 并有 当I 0时 PN结开路 PN结两端的开路电压UOC为 特殊 光电二极管在反向偏置的情况下 输出的电流为 I I Is 光电二极管的暗电流ID一般远小于光电流I 常将其忽略 光电二极管的电流与入射辐射成线性关系 3 丹培 Dember 效应 当半导体材料的一部分被遮蔽 另一部分被光均匀照射 在曝光区由于本征吸收 产生高密度的电子与空穴载流子 遮蔽区的载流子浓度很低 形成浓度差 由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象称为丹培效应 丹培效应产生的光生电压 n0 p0为热平衡载流子的浓度 n0为半导体表面处的光生载流子浓度 n 1400cm2 V s p 500cm2 V s 显然 n p 半导体的迎光面带正电 背光面带负电 产生光生伏特电压 这种由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特现象称为丹培效应 4 光磁电效应 在半导体上外加磁场 磁场的方向与光照方向垂直 当半导体受光照射产生丹培效应时 由于电子和空穴在磁场中运