光电信息技术(精)ppt课件

.,光电信息技术,常敏changminTel:55271048光电学院,.,光学Optics（古希腊）以几何光学和物理光学为基础各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。,.,电子学Electronics(1910年)研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。研究电波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定，混合，检波等等半导体微电子学。,.,光电子学Opto-electronics(1955)光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成光电子技术。,.,光子学Photonics(1970)关于光子的科学及其应用。描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、存储和探测”。激光光子时代的领衔主角。,.,本课程学什么？介绍光电检测技术的物理基础、电光信息转换、光电信息转换和光电测控技术的应用。,.,课程基本情况：,1）学时：授课32,2）学分：2学分3）相关课程：电工与电子技术、工程光学等,.,报告主题：提出一个运用光电技术的方案；报告评定原则：根据方案实现功能的新颖性、可行性、性价比，以及参与讨论时的情况，从而判定学生创新能力和理解掌握本课程的程度。报告方式：每组4-6人，PPT，演讲有加分。,考核评定方式,平时+报告,.,几点要求：及时和老师沟通，沟通渠道55271048,changmin有事情提前请假遵守课堂纪律,.,第一章：光电信息技术物理基础1.1理论基础1.1.1能带理论1.1.2光电发射效应1.1.3光电导效应1.1.4光伏效应1.1.5热释电效应,.,1.1.1能带理论,原子中电子的能级,能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。,.,导体,半导体,绝缘体的区别是什么？各有什么不同的用途？,导体绝缘体和半导体能带有何异同?,半导体是什么意思?导体的导电原理什么是半导体？什么叫半导体材料?怎样知道一个物品是导体还是绝缘体?半导体中的芯片是什么?,.,半导体的一些电学特性压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化,.,能带理论,.,晶体中原子的能带,图1.1.1-2钠原子的能级和结晶格中的能带之比较,电子可以在某些整个能带内运动,.,导体中的能带,考虑一种如图所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。,结论：具有如图所示那样能带结构的物质应为良导体，换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。,又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2),.,金属能带,图1.1.1-3导体内的能带,价带内最上面的电子在外界电场的作用下，可产生集体运动！,钠是良导体,.,疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于良导体呢？,结论：实际上由于最高能带可能发生重叠，镁的3S电子可分布在3S和3P能带中，因此镁应为良导体。对有些物质，它们的原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。,.,半金属能带,.,绝缘体的能带,现在考虑这样一种物质，最高能带即价带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠,如图所示。,结论：绝缘体最上面的价带是满的，同时和下一个空带之间有几个电子伏特能隙的固体。,.,绝缘体能带,图1.1.1-5绝缘体,.,半导体的能带,注意：半导体的能带与绝缘体的能带很相似，只不过价带和导带之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此，半导体是一种绝缘体，但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。,现在考虑这样一种物质，该物质的最高能带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠。,.,.,完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。含有缺陷和杂质的半导体称为非本征半导体。半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。,半导体分类,.,.,多数载流子、少数载流子,思考题：P型半导体的多数载流子是？N型半导体的多数载流子是？,载流子：晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。,.,在一定温度下,半导体处于热平衡状态,半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。如果对半导体施加外界作用(如用光的或电的方法),破坏了热平衡条件,使半导体处于与热平衡状态相偏离的状态,则称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体,其载流子比平衡状态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。在N型半导体中,把非平衡电子称为非平衡多数载流子,非平衡空穴称为非平衡少数载流子。对P型半导体则相反。在半导体器件中,非平衡少数载流子往往起着重要的作用。,.,在外界条件作用下(例如光照),将产生附加的非平衡载流子,即电子空穴对;外界条件撤消后,由于复合率大于产生率,非平衡载流子将逐渐复合消失掉,最后回复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从exp(-t/)的关系,常数表示非平衡载流子在复合前的平均生存时间,称为非平衡载流子寿命。,.,半导体在工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集成电路等等。,.,厦门中山路LED夜景照明工程,.,1.1.2光电发射效应,物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应，这种现象多发生于金属和金属氧化物。,典型光电器件：光电管、光电倍增管。,.,光电子能谱（photoelectronspectroscopy），利用光电效应的原理测量单色辐射从样品上打出来的光电子的动能（并由此测定其结合能）、光电子强度和这些电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。对固体而言，光电子能谱是一项表面灵敏的技术。虽然入射光子能穿入固体的深部，但只有固体表面下2030埃的一薄层中的光电子能逃逸出来（光子的非弹性散射平均自由程比电子的大1010倍）,因此光电子反映的是固体表面的信息。,在光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的。,典型应用,.,.,光电发射效应的几个规律：1、光电发射第一定律当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量K成正比。即IK=SKK式中SK为表征光电发射灵敏度的系数。用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。,.,2、光电发射第二定律发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：式中h为普朗克恒量（6.6260550.000004010-34J.s）；v为入射光频率；me为光电子的质量；vmax为出射光电子的最大速率；O为光电阴极的逸出功。,.,3、光电发射第三定律当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限vo，就不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的红限为vo=o/h,.,4、光电发射的瞬时性光电发射的延迟时间不超过310-13s的数量级。因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光电效应器件具有很高的频响。光电发射瞬时性的原因是由于它不牵涉到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程。,.,1.1.3光电导效应,1.定义：光电导效应指固体受光照而改变其电导率。,半导体和绝缘体的效应,.,2.光电导体的三个重要参数,1.光电导体的灵敏度,光电导灵敏度的意义？和什么有关？,.,G=/tL（1）式中为量子产额；为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有tL=l/E=l2/U（2）将式（1）代入式（2）可得G=U/l2如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为G=(nn+pp)U/l2式中n和p分别为自由电子和空穴的寿命；n和p分别为自由电子和空穴的迁移率。,.,光电导的弛豫光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。弛豫时间长-光电导反应慢-惯性大；弛豫时间短-光电导反应快-惯性小。光电导的弛豫表现了光电导对光强变化反应的快慢,.,在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况：直线性光电导的弛豫过程和抛物线性光电导的弛豫过程。这两种典型情况的n（或p）于光强的关系可表示成：n=I式中为光电转换因子，一般指在某一光强范围内的值,.,1）直线性光电导的弛豫过程（即光电导与光强呈线性关系）n=IIn=n/In是以光子计算的入射光强为光电导体对光的吸收系数量子产额,.,恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程为：,Q-R,根据上式的初始条件t=0时，n=0，则方程的解为,.,根据上升和下降的方程作图如上。可以看到，在直线性光电导的弛豫中，光电流都按指数规律上升和下降。在t=时，光电流上升到饱和值的0.64（1-1/e），或下降到饱和值的0.36(1/e)，上升和下降是对称的。因此定义为光电流的弛豫时间。,(),.,2）抛物线性光电导的弛豫过程对抛物线性光电导材料，n（或p）与光强I的关系可表示为同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方成正比，即复合率=b（n）2式中b为比例系数，这时的定态条件（Q=R）为在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为,.,双曲正切,利用初始条件t=0时，n=0，可得式（1.1-18）的解为光照取消后，决定光电导下降的微分方程为利用初始条件t=0时，从式（1.1-20）可得解为抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图1.1.3-2所示。下降曲线是以横轴为渐进线的一条双曲线，因此称这样的下降规律为双曲线性衰减。,.,在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象取决于复杂的复合机理，并且上升和下降都不对称，我们可以用来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值的tanh1=0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。,图1.1.3-2抛物线性光电导的上升和下降的