光电材料与器件(绪论及第一章)PPT课件

.,欧阳述昕(oysx14教学楼243室)天津大学材料学院,光电材料与器件,.,2,学习经历,2000.9-2004.6大学本科南京大学材料科学与工程系材料化学2004.9-2009.6博士南京大学材料科学与工程系材料学导师：邹志刚教授、叶金花教授2006.11-2008.8留学经历南京大学-日本国立物质材料研究机构联合培养博士生，NIMS在读,.,3,工作经历,2009.7-2013.12博士后特别研究员日本国立物质材料研究机构环境再生材料研究部门2012.7-2012.9访问研究天津大学材料科学与工程学院天津大学-日本国立物质材料研究机构联合研究中心2013.12-现在天津大学-日本国立物质材料研究机构联合研究中心(TNJRC),.,4,参考书目,孟庆巨等，半导体器件物理，科学出版社，2009曾谨言，量子力学导论，北京大学出版社,1998傅竹西，固体光电子学，中国科技大学出版社，1999黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社，1988姚建铨等，光电子技术，高等教育出版社，2006黄书万，光电材料，上海科学技术出版社，1987刘恩科等，半导体物理学，西安交通大学出版社，1998孟宪章等，半导体物理学，吉林大学出版社，1993,.,5,授课及考核方式,授课方式：1.老师讲课40分钟，学生提问5分钟；2.其中一个章节由学生讲解，老师评论；(31人分6组)平时成绩（30%）：课堂提问及考勤(15%)、课程讲解(15%)课堂提问：老师提问(答错不减分，答对加分)学生提问(5分钟内限2-3人)考勤：请假不减分，不请假减分(按2n减),.,6,授课及考核方式,期末成绩（70%）：文献综述报告（1月9日前交）要求：选择一种半导体光电材料，查阅相关文献并撰写报告，介绍该材料的结构、性能、制备方法或其在太阳能电池、光催化、光探测器、激光器、发光二极管、生物荧光探针等光电、发光器件等领域的研究进展情况。例如：“染料敏化太阳能电池TiO2光电极研究进展”,.,格式要求：,题目:,学号,姓名,专业,邮箱,.,.,9,课程主要内容,绪论半导体光电材料、器件及其应用第一章半导体光电材料概述第二章半导体中的电子状态第三章杂质和缺陷能级第四章非平衡载流子第五章PN结第六章半导体太阳能电池第七章半导体光催化材料第八章发光二极管第九章半导体激光器第十章荧光量子点,9,.,10,第六章半导体太阳能电池,6.1太阳能的利用及半导体太阳能电池概述6.2半导体中的光吸收6.3PN结的光生伏打效应6.4太阳电池的IV特性6.5太阳电池的效率及影响因素6.6太阳电池的发展阶段6.7三种主要的量子点太阳电池及发展现状,.,绪论,.,12,光电材料及器件涉及的应用-光纤,北京目前有宽带用户523万。如果要给每个用户提供10Mbps的可用带宽，理论上说北京与互联网外界出口带宽要达到52300Gbps才行。这还不算其它商业、专线用户的带宽需求和手机、电话等语音通讯的带宽需求。如此大的带宽需求，仅靠传统的单根光纤10GB带宽的得要多少根光纤才行？,2012年召开的美国光纤通信展览会及研讨会(OFC/NFOEC)上，爱立信演示了其最新的1Tbps光传输技术。这相当于每秒可以传送三十部左右蓝光高清电影。这项技术由爱立信与意大利圣安娜高等研究学院和意大利电信全国校际联盟(CNIT)合作开发。,.,13,光电材料及器件涉及的应用-光存储,使用纳米结构玻璃，南安普敦大学科学家首次实验演示了5D飞秒级的数据激光读写。该技术让存储媒介的多项参数达到不可思议的程度：1.存储容量可达360TB；2.耐热温度可达1000摄氏度；3.存储时间可达百万年。,5D存储：信息通过5种规格储存，在3D纳米架构中加入了大小和方向属性。,图示为演示使用5D激光超快速的储存了一个300KB的数据拷贝，文件被写入3层相隔5微米的纳米结构dot上。自组装纳米结构改变了光线在玻璃中的传输路径，修改了光的偏振，而读取时则需通过光学显微镜和偏振器，类似于偏光太阳镜的实现原理。,研究由ORC研究员JingyuZhang牵头，和埃因霍温科技大学一起联合研究。,.,14,光电材料及器件涉及的应用-太阳能电池,单晶硅电池效率为25.0%,多晶硅电池效率为20.4%,CIGSCuInxGa(1-x)Se2电池效率为20.3%,CdTe薄膜电池效率达19.6%,非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1%,.,15,光电材料及器件涉及的应用-LED,3G智能LED显示屏具有超简单的操作性，只要有台能上网的手机就能控制屏幕的内容更换等，既节省人力成本又让交互过程更加便捷。,小间距LED显示屏是一整套系统的统称，其中包括LED显示系统、高清显示控制系统以及散热系统等。小间距LED显示屏采用像素级的点控技术，实现对显示屏像素单位的亮度、色彩的还原性和统一性的状态管控。在显示屏的生产过程中全部采用了自动回流焊接工艺，无需手工后焊。,小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5以下的室内LED显示屏，主要包括P2.5、P2.0、P1.8、P1.5等LED显示屏产品。随着LED显示屏制造技术的提高，传统LED显示屏的分辨率得到了大幅提升。,.,16,光电材料及器件涉及的应用-激光器,来自加州大学SantaBarbara分校UCSB的华裔学生AlanY.Liu和同事，包括JohnE.Bowers教授和ArthurC.Gossard教授，发展了一种新的量子点激光器，并称这项技术让光子器件的成本可以比拟微电子器件。,Liu和他的同事们的做法是直接在硅衬底上用分子束外延技术生长InAs量子点激光器。他们的贡献在于不仅能够在硅衬底上生长量子点激光器，而且让这种量子点激光器的性能可以比拟传统的量子点激光器的性能。这将是向着未来低成本大容量光子集成的重要一步。,Liu还指出，这种技术的优点在于可以充分利用硅器件的成熟工艺，从而有助于降低成本。分子束外延是开发高品质量子点激光器的最好技术，整个激光器可以一步完成，最小化了遭到污染的风险,.,第一章半导体光电材料概述,.,18,1.1光电材料的起源,海因里希赫兹,1887年，德国物理学者海因里希赫兹做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。“火花间隙”(sparkgap)实验,阿尔伯特爱因斯坦,1905年，爱因斯坦发表论文关于光的产生和转化的一个试探性观点他将光束描述为一群离散的量子，现称为光子，而不是连续性波动;频率为v的光子拥有的能量为hv；假若光子的频率大于某极限频率，则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸，造成光电效应。1921年获诺贝尔物理学奖,美国物理学者罗伯特密立根,增加阴极的温度，光电子最大能量不会跟着增加；又证实光电疲劳现象是因氧化作用所产生的杂质造成；应用光电效应直接计算出普朗克常数。1923年获诺贝尔物理学奖,.,1.2半导体光电器件与材料,半导体光电器件：利用光子-电子（或电子-光子）转换效应（光电效应）制成的，可实现光信号（光能）-电信号（电能）相互转化的各种半导体功能器件。常用的半导体光电器件：光-电器件：电-光器件：光-光器件：,光敏元件、光探测器、太阳能电池,发光二极管、注入型半导体激光器,光激励半导体激光器、荧光量子点,半导体光电材料：半导体光电器件所用的主要半导体材料。,.,1.2主要的半导体光电材料,半导体光电材料,VI族光电材料,Ge,III-V族光电材料,II-VI族光电材料,IV-VI族光电材料,Si,SiC,GaAs;GaP;GaN,ZnS;ZnO;ZnSe;ZnTe,InAs;InP;InSb,AlAs;AlP,GaAs1-xPx;In1-xGaxP,CdS;CdSe;CdTe,HgS;HgSe,PbS;PbSe;PbSnTe;PbSnSe,.,.,.,.,.,1.3主要半导体光电材料的应用,锗（Ge）：锗单晶及其掺杂是一种很好的光探测器材料。硅（Si）：光探测器、太阳能电池碳化硅（SiC）：电致发光器件砷化镓（GaAs）：激光器、发光二极管、太阳能电池硫化锌、氧化锌（ZnS,ZnO）：光致、电致发光材料（生物荧光探针）硫化镉（CdS）：光敏电阻、太阳能电池、激光材料、发光材料碲化镉（CdTe）：太阳能电池、红外探测器、生物荧光探针硫化铅（PbS、PbSe、PbTe）：太阳能电池、红外探测器、激光器,.,半导体材料禁带的宽度决定了光电器件的工作波长。当半导体中的电