第一章 光电技术基础

1、光光 电电 技技 术术 主讲 马锡英 教授 64 学时学时 (Optoelectronics technology) 参考资料：参考资料： 1. 光电技术概论光电技术概论作者作者:安毓英等，安毓英等，电子工业出电子工业出 版社；版社； 2. 作者作者:江文杰施建华江文杰施建华，科学出版社，科学出版社， 2009； 3. 光电子技术基础教程光电子技术基础教程 作者作者:郭培源郭培源 梁丽梁丽北北 京航空航天大学。京航空航天大学。 课程性质：专业必修课程性质：专业必修 课程考核课程考核 平时成绩：平时成绩：30 期末考试：期末考试：70% 致谢致谢 承蒙参考书目、论文为课件提供了理论承蒙参考书目、

2、论文为课件提供了理论 承蒙许多网站提供了各种资料承蒙许多网站提供了各种资料 声明声明 此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他 商业用途商业用途 基本内容基本内容 第第1章光电技术基础章光电技术基础 第第2章光电导器件章光电导器件 第第3章光生伏特器件章光生伏特器件 第第4章光电发射器件章光电发射器件 第第5章热辐射探测器件章热辐射探测器件 第第6章发光器件与光电耦合器件章发光器件与光电耦合器件 第第7章光电信息变换章光电信息变换 第第8章图像信息的光电变换章图像信息的光电变换 第第9章光电信号的数据采集与计算机接口技术章光电信号的数据采集与计算机接口技术 第第

3、10章章 光电信息变换技术的典型应用光电信息变换技术的典型应用 第第11章章 光电技术的新发展光电技术的新发展 典型的光电器件：典型的光电器件： 1. 半导体激光器（半导体激光器（GaAs/GaAlAs异质结激光异质结激光 器）；器）； 2. PN结发光二极管；结发光二极管； 3. 光电探测器光电探测器（光敏电阻，（光敏电阻，红外探测器、红外探测器、pn结光结光 伏探测器伏探测器）；）； 4. 光电池（非晶硅太阳能电池光电池（非晶硅太阳能电池-硅光电池）硅光电池） 5. 光电成像系统（光电成像系统（CCD电荷耦合器件：数码电荷耦合器件：数码 摄像，摄像，CMOS摄像器件，红外焦平面阵列）；摄像

4、器件，红外焦平面阵列）； 6. 显示器：电致发光显示技术（显示器：电致发光显示技术（LED），液晶），液晶 显示；显示； 7. 光纤通信；光纤通信； 8. 激光雷达；激光雷达； 9.光纤传感器等光纤传感器等 绪绪论论(Introduction) 光电技术光电技术是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门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。崭新的技术。 主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息信息的获取、的获取、 发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。 21世纪的信息网络是以世纪的信息网

5、络是以IP（或（或IP/ATM）协议控制下）协议控制下 的密集波分复用（的密集波分复用（DWDM）为基础的）为基础的光核心网光核心网，包括有包括有 线（光纤或线（光纤或HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规）、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（中全光通信网（AON）是主体，）是主体，全光网中的传输和交换全光网中的传输和交换 容量均达到容量均达到Tb/s量级，将比现有传输速率提高量级，将比现有传输速率提高100倍以上。倍以上。 光纤通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的光纤

6、通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的 市场在今后市场在今后15-20年内仍会以高的速率持续增长。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、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。波分复用器等。 光电子产业光电子产业 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. 2. 能量光电子产业能量光电子产业

7、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. 4. 光子学及光通信器件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. 3. 光电子材料和元器件产业光电子材料和元器件产业 5.光存储器件光存储器件 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，

8、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. 6. 光显示器件光显示器件 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.光能量转换器件光能量转换器件 8. 光学图像器件光学图像器件 功能器件 RS光应用 光的特征和 应用技术 光纤通信系统 光智能

9、系统 功能器件 激光、发光器件 光接收器件 太阳能电池 光开关 光调制器 液晶器件 集成光路 量子效应器件 新功能 超大容量 信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换 多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机 超高速 光传感 激光测量 电场、磁场测量 激光雷达 激光陀螺仪 高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机 光电子计算机 超高速运算(psfs) 2维并行处理 光互连 光医疗应用 激光手术刀 牙科医疗 癌细胞检查 X射线CT SR应用 照 明 室 内 采 光 照 明 、 色 彩 设 计 海 洋 开 发 光加工 切割、焊接、开口

10、SR应用微细加工 新材料研制 高能量密度 激光切割 激光核聚变 高密度等离子体 激光枪 SR应用测量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量 太阳能发电 屋顶发电 大规模集中发电 太阳能汽车 宇宙发电 绿色能源 相干性 高亮度 超并行性 第第1章光电技术基础章光电技术基础 光电器件构成：光电器件构成： 1.光辐射源光辐射源（光源）（光源）:外部产生（探测器）外部产生（探测器） 和内部产生（发光）两种；和内部产生（发光）两种； 2. 光电转换部分：光转换为电，或电转光电转换部分：光转换为电，或电转 换为光；换为光； 光辐射源光辐射源: 可见光可见光: 太阳太阳, 白炽灯白炽灯, 日光灯日光灯,

11、激光器激光器, 发发 光二极管光二极管, 荧光灯荧光灯, 水银灯水银灯, 钠等钠等 红外线红外线: 红外激光器红外激光器, 太阳太阳, 有机体即无有机体即无 机体机体 紫外线紫外线: 紫外灯紫外灯, X射线射线, 放射性金属放射性金属: 射线射线 光探测器光探测器: 光电效应光电效应, 光电倍增管光电倍增管, 可见光功率计可见光功率计, 光通量计光通量计 红外探测器红外探测器 紫外探测器紫外探测器 荧光光谱仪荧光光谱仪 纳曼光谱仪纳曼光谱仪 红外光谱仪红外光谱仪 单色仪单色仪 本章主要介绍光辐射的本章主要介绍光辐射的基本概念和原理基本概念和原理，以，以 及在光电子技术中应用比较普遍的典型及在光

12、电子技术中应用比较普遍的典型光光辐辐 射源。射源。 由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化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。生了电磁波。 B B E E B B E E B B 电视台电视台声光声光电电电磁波发射电磁波发射 E E w 沿给定方向传播的电磁波，沿给定方向传播的电磁波，E和和H分别在分别在 各自平面内振动，这种特性称为偏振。各自平面内振动，这种特性称为偏振。 k k E E H H EH 00 1 c 1 v w 空间各点空间各点E和和H都作周期性变化，而且都作

13、周期性变化，而且 相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。 w一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光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：辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐紫外辐射、可见光和红外辐 射。射。一般在可见到紫外波段波长用一般在可见到紫外波段波长用nm、在红、在红 外波段波长用外波段波长用 m表示。波数单位习惯用表示。波数单位习惯用cm-1。 w紫外辐射：紫外辐射：紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见，紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见， 波长范围是波长范围是1390nm。又分为近紫外、远紫外和极远。又分为近紫外、远紫外和

14、极远 紫外。极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在紫外。极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在 真空中传播，又称为真空中传播，又称为真空紫外辐射。真空紫外辐射。 w在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为A波段波段(近紫近紫 外外)、B波段和波段和C波段（远紫外）。波段（远紫外）。 (1)在辐射度单位体系在辐射度单位体系 (2)光度单位体系光度单位体系 光度单位体系光度单位体系: 反映反映视觉亮暗特性视觉亮暗特性的光辐射计量单位，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，被选作基本量的不是光通量而是发光强度， 其基本单位是其基本单位是坎德拉坎德拉

15、。光度学只适用于可见光度学只适用于可见 光波段。光波段。 下面重点介绍下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量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。光度单位体系中的物理量可对比理解。 e e dQ dt w 辐射通量：辐射通量：辐射通量辐射通量 e又称为辐射功率。为又称为辐射功率。为 单位时间内流过的辐射能量，即单位时间内流过的辐射能量，即 w单位：瓦特（单位：瓦特（W）或焦耳）或焦耳 秒（秒（J s）。）。 e e d M dS e e d I d w辐射强度：点辐射源在给辐射强度：点辐射源在给 定方向上发射的在定方向上发射的在 单位立体角内单位立体角内的辐射通量，用的辐

16、射通量，用Ie表示，即表示，即 w单位：瓦特单位：瓦特 球面度球面度-1（W sr-1）。）。 4 e e I S d dS d 图2 辐射亮度示意图 w如果一个各向同性均匀介质中的如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体点辐射体 向向所有方向所有方向发射的总辐射通量是发射的总辐射通量是 e，则该点，则该点 辐射体在各个方向的辐射强度辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有是常量，有 2 co (1) scos ee e dId L dSddS S d dS d 图2 辐射亮度示意图 w是给定方向和辐射源 面元法线间的夹角。 w单位：瓦特/球面度 米2（W/srm2）。 0 c s(2)o ee

17、dIdI 0 0 e ee dI LL dS wIe0是面元是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称沿其法线方向的辐射强度，又称 为为余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入式代入(2)式得到式得到 余弦辐射体的辐射亮度为余弦辐射体的辐射亮度为 0 e ee d ML dS e e d E dA w辐射照度：在辐射接收面上的辐照度辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定定 义为照射在面元义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的上的辐射通量与该面元的 面积之比。即面积之比。即 w单位：（单位：（W/m2）。）。 辐辐出度出度Me为出射强度，辐照度为出射强度，辐照度Ee为物体接受为物体接受

18、的强度，注意区别。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：射出射度为： d EM e )( 辐照量辐照量He： 在一定时间内照射到物体某一面元的在一定时间内照射到物体某一面元的 辐照度。辐照度。 单位：单位：J/m2 曝光量曝光量Hv :物体表面在一定时间内接收到的光照度物体表面在一定时间内接收到的光照度 Ev . t ee dtEH 0 tEH vv (7) 辐射效率与发光效率辐射效率与发光效率 光源所发射的总通量光源所发射的总通量 e与外界提供给光源与外界提供给光源 的功率的功率P之比，称为光源的辐射效率

19、；之比，称为光源的辐射效率； e= /P 100% 无量纲无量纲 光源发射的总通量光源发射的总通量 e与提供的功率与提供的功率P之比，称之比，称 为发光效率；为发光效率； v= /P 100% 单位：流明每瓦（单位：流明每瓦（lmW-1） 2. 光源的光谱辐射参量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位波长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密 度度 在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光 度量度量 d dx X e e d dx X v v 光源在波长光源在波长1

20、 1、2 2区间内发射的辐通量区间内发射的辐通量 2 1 de e 量子流速率：量子流速率： 光源发射的辐射功率是每秒发射光子光源发射的辐射功率是每秒发射光子 能量的总和。能量的总和。 若若+d+d区间的辐射通量为等区间的辐射通量为等 d d e e, , 除以该波长的光子能量除以该波长的光子能量h h , , 为光源在为光源在处的光处的光 子总量，称为子总量，称为光谱量子流速率光谱量子流速率dN h ed h ed dN 在在12 光谱量子流速率光谱量子流速率N 2 1 dN e 在可见光区，光源每秒发射的总光子数为在可见光区，光源每秒发射的总光子数为 78. 0 38. 0 d hc N

21、e eeeeee QIMLE、 、 、 vvvvvv QIMLE、 、 、 w光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐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用与辐度学的基本物理量 w对应的对应的 来表示，其定来表示，其定 义完全一一对应，其关系如表义完全一一对应，其关系如表1所示。所示。 光度学的基本单位为坎德拉，也是国际单位制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。）七个基本单位之一。定义为：一个光源发出频定义为：一个光源发出频 率为率为5401012Hz的

22、单色（黄色）辐射，若在给定方的单色（黄色）辐射，若在给定方 向上的辐射强度为向上的辐射强度为1/683 W/sr, 则该光源在该方向上则该光源在该方向上 的发光强度为的发光强度为1 cd. w热辐射具有热辐射具有连续的辐射谱连续的辐射谱，波长自，波长自远红外区到远红外区到 紫外区紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于，并且辐射能按波长的分布主要决定于 物体的物体的温度温度。本节介绍热辐射的一些基本定律。本节介绍热辐射的一些基本定律。 )(T w吸收比：吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比被物体吸收的能量与入射的能量之比 称为该物体的称为该物体的吸收比吸收比。在波长。在波长 到到 +d 范

23、围内范围内 的吸收比称为的吸收比称为单色吸收比单色吸收比，用，用 表示。表示。 w若若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能物体在任何温度下，对任何波长的辐射能 的吸收比都等于的吸收比都等于1，即，即 ，则称该，则称该 物体为物体为绝对黑体（简称黑体）绝对黑体（简称黑体）。 )(T ( )( )1TT 1)(T 12 12 ( )( ) ( ) ( )( ) vv v b vv MTMT MT TT bv M 式中式中 为黑体的单色辐射出射度。为黑体的单色辐射出射度。 2 /5 2 ( )(3) (1) B v b hck T hc MT e 2 1 2Chc 2 / B Chc k w式中式中

24、h为普朗克常数，为普朗克常数，c为真空中的光速，为真空中的光速，kB为波为波 尔兹曼常数。尔兹曼常数。 w令令 2 1 /5 1 ( )(W/cmm) 1 v b CT C MT e 122 1 (3.7418320.000020) 10W cmC 第一辐射常数 4 2 (1.4387860.000045) 10 m KC 第二辐射常数 则则(3)式可改写为式可改写为 w单色辐射出射度随温度的升高而增大。单色辐射出射度随温度的升高而增大。 w单色辐射出射度的峰值随温度的升高单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短向短 波方向移动。波方向移动。 T C e TC 2/ 1 2 4 1 2 ( ) v

25、 b C MTT C Km107 . 7 5 T TCTC ee / 22 1 w5.维恩公式维恩公式 w当很小时，当很小时， ，可得到适合于，可得到适合于 短波长区的维恩公式短波长区的维恩公式 2 /5 1 ( ) CT v b MTCe Km2698T m 2897.9(m K) mT 4 ( ) vb MTT )KsJ/m(10670. 5 428 w7.斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 w其中其中 为斯忒藩为斯忒藩-玻尔玻尔 w8.色温色温 w为了表示一个热辐射光源所发出光的为了表示一个热辐射光源所发出光的光色光色 性质，常用到性质，常用到色温度色温度这个量，单位为这个量，单位为

26、K。 色温度是指在规定色温度是指在规定两两 波长处具有与热辐射波长处具有与热辐射 光源的辐射比率相同光源的辐射比率相同 的黑体的温度。的黑体的温度。 w色温度并非热辐射光源本身的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。 w由于色温度是按规定的两波长处的辐射比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率来比较的，所以色温度相同的热辐射光 源的源的连续谱连续谱也可能不相似，也可能不相似， w若规定的波长不同，色温度往往也不相同。若规定的波长不同，色温度往往也不相同。 w至于非热辐射光源，色温度只能给出这个至于非热辐射光源，色温度只能给出这个 光源光色的大概情况，一般来

27、说，光源光色的大概情况，一般来说，色温高色温高 代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、 红光的成分多些。红光的成分多些。 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察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，发现波者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波 长长=0.555m处的光谱辐射亮度处的光谱辐射亮度Le,m小于其它波长小于其它波长 的光谱辐亮度的光谱辐亮度Le,。把波长。把波长=0.555m的光谱辐射的光谱辐射 亮度亮度L Le e,m被其它波长的光谱辐亮度被其它波长的光谱辐亮度Le,除得的商，除得的商， 定义为正常人眼

28、的定义为正常人眼的V()，即，即 e, m e, )( L L V 明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率 w通过对标准光度观察者的实验测定，在通过对标准光度观察者的实验测定，在波波 长长555nm处，处，L 有最大值，其数值为有最大值，其数值为 Lm=683 lm/W。单色光视效率是。单色光视效率是L 用用Lm 归一化的结果，其定义为归一化的结果，其定义为 e, m e, )( L L V 400500600700800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 VV 波 长(nm) 光视 效 率 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 507

29、nm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 e, nm507, e )( L L V 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 e v e v K 对发射连续光谱辐射的热辐射体，总光通 量v为 d )( nm780 nm380 e,mv VK 式中式中,V是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。 VK VK K m 0 , e nm780 nm380 , em d d )( 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

30、（）和光谱光视效 率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 r , e X r V e, )X( r e X , )d( 780nm nm380 e, VX rr V e, )X( 为曲线所围的面积Al，而积分 d 0 e, r X面积A2。因此，可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为 1 .17 2 1 mW A A KKlm/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。 解解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，可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以计算出它发出的光通量为 v,=K,ee,=

31、KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm) 三、三、 半导体的光电性质半导体的光电性质 1. 半导体的光吸收半导体的光吸收 (1) 本征吸收本征吸收 光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价 带跃迁到导带，带跃迁到导带， 产生电子产生电子-空穴对。电子的这空穴对。电子的这 种带与带间跃迁的吸收过程。种带与带间跃迁的吸收过程。 本征吸收发生的必要条件：光子能量本征吸收发生的必要条件：光子能量h 大于等于大于等于 禁带宽度禁带宽度Eg, 即即 h h 0=Eg 本征吸收限：当光子频率小于本征吸收限：当光子频率小于 0(波长大于波长大于 0)

32、时，时， 吸收系数迅速下降，对应的频率吸收系数迅速下降，对应的频率 0或波长或波长 0为本征为本征 吸收限。吸收限。 h Eg )( 24. 1 m EE hc gg L 只有波长小于只有波长小于 L的辐射才能产生本征吸收的辐射才能产生本征吸收 直接跃迁直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁 到具有相同波矢到具有相同波矢k的导带上。的导带上。 直接带隙半导体直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子：在本征吸收过程中，产生电子 的直接跃迁过程的直接跃迁过程 间接带隙半导体间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具导带极小值和价带极大值不具 有相同的有相同的

33、k的半导体。在本征吸收过程中，产生的半导体。在本征吸收过程中，产生 电子的间接跃迁过程电子的间接跃迁过程 （2）杂质吸收）杂质吸收 在半导体中掺入杂质原子（施主或受主原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在杂质能级上的电子吸收光能发生跃迁引起的 光吸收。光吸收。 SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是 V V族元素。电离能较小，族元素。电离能较小， 在在SiSi中约中约0.040.040.05eV0.05eV， GeGe中约中约0.01eV0.01eV。 施主

34、杂质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的施主杂质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的 半导体称为半导体称为n型半导体型半导体 施主杂质电离能电离能ED： 受主杂质：能够接受电子而产受主杂质：能够接受电子而产 生导电空穴的杂质。生导电空穴的杂质。 p型半导体：型半导体： 依靠价带空穴导电的半导体。依靠价带空穴导电的半导体。 受主杂质电离能电离能EA： 如果光子的能量小于禁带宽度如果光子的能量小于禁带宽度Eg或小于或小于 杂质电离能（杂质电离能（ED或或EA）时，电子不能跃迁到）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形成一个

35、束缚较弱的电子电子-空穴对空穴对，这种电子，这种电子 -空穴对称为空穴对称为激子激子。激子吸收不会改变半导体。激子吸收不会改变半导体 的导电特性。的导电特性。 （3） 激子吸收激子吸收 杂质吸收限：杂质吸收限： )( 24. 1 m ED L )( 24. 1 m EA L 杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。 （4） 自由载流子吸收自由载流子吸收 当入射光子频率较小，不能引起导带当入射光子频率较小，不能引起导带-价带间价带间 的跃迁，但的跃迁，但导带上的电子（空穴）在其所在的导导带上的电子（空穴）在其所在的导 带（价带）内的能级上跃迁发生的带（价带

36、）内的能级上跃迁发生的光吸收光吸收，通常，通常 称为称为带内跃迁带内跃迁。由于带内能级间隔很小，所以其。由于带内能级间隔很小，所以其 吸收谱基本上为连续谱。吸收谱基本上为连续谱。 （5）晶格吸收）晶格吸收-又称为声子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，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转变为晶格振动的动能，宏观上引起物体温度 的升高。的升高。 1. 光电导效应 光电导效应可分为光电导效应可分为本征光电导本征光电导效应与效应与杂质光电导杂质光电导 效应两种效应两种. . 本征半导体或杂质半导体本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸

37、收光子能量价带中的电子吸收光子能量 跃入导带跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，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。这的电导率发生变化。这在光的作用下由本征吸收引起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。的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。种种 2 i nnp E n n E p p 载流子浓度载流子浓度 载流子的运动速度载流子的运动速度 导电能力的导电能力的 强弱（强弱（） 1 在截面为在截面为S, 长度为长度为l的材料上流过电

38、流的材料上流过电流I， 则界面上的则界面上的电流密度电流密度为为 J=I/S= E 设导体的内的设导体的内的电子数密度电子数密度为为n, 电子的漂移速度电子的漂移速度vd, 则电流强度为则电流强度为 则电流密度为则电流密度为 dvnqJ SvnqI d1 电场不很强时电场不很强时( (Ep, =nq n; 对对p型半导体，型半导体， p n, =nq p; 对本征半导体，对本征半导体， p =n, =niq( n+ p) l光辐射照射外加电压的半导体，如果光波光辐射照射外加电压的半导体，如果光波 长长满足如下条件：满足如下条件： () () 1.24 () () 1.24 () c g i m

39、 EeV E eV 本征 杂质 式中式中Eg是禁带宽度是禁带宽度, Ei是杂质能带宽度。是杂质能带宽度。 l n和和 p 又称之为又称之为光生载流子光生载流子。显然。显然, n和和 p将使半导体的电导增加一个量将使半导体的电导增加一个量 G,我们我们 称之为称之为光电导光电导。相应于本征和杂质半导体。相应于本征和杂质半导体 就分别称为就分别称为本征和杂质光电导本征和杂质光电导。 l A pne l A G pn )( GVi A=bxd 2 , d d hcl qg S e g 在弱辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度为材料有在弱辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度为材料有 关性质的常数，与光

40、电导材料两电极间的长度关性质的常数，与光电导材料两电极间的长度l l的平方成的平方成 反比。反比。 （1）在弱辐射作用下，光生载流子浓度光生载流子浓度ny y等于光等于光 生空穴浓度生空穴浓度p，n=p，光电导灵敏度为可得，光电导灵敏度为可得 , 2 1 , 2 1 3 d 2 1 d ee f lKh bd qg 强辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度不仅强辐射作用下，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，是非与材料的性质有关，而且与入射辐射量有关，是非 线性的。线性的。 （2）在强辐射的作用下在强辐射的作用下 光生伏特效应是基于半导体光生伏特效应是基于半导体

41、PN结基础上的一种将光结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。能转换成电能的效应。 当入射辐射作用在半导体当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，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价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场结内建电场 的作用下分开，的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。形成光生伏特电压或光生电流的现象。 一块一块P型半导体和一块型半导体和一块N型半导体结合在一起，在其型半导体结合在一起，在其 交接面处形成交接面处形成PN结。结。 PN结是各种半导体器件，结是各种半导体器件， 如结型晶体管、集成电路如结型晶体管、集成电路 的心脏。的

42、心脏。 pn结附近电离的受主、施主结附近电离的受主、施主 所带电荷称为空间电荷（不所带电荷称为空间电荷（不 可移动）。所在的区域为空可移动）。所在的区域为空 间电荷区间电荷区 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，没有净电流通过于内电场的漂移作用相抵消，没有净电流通过 pn结。称为结。称为零偏状态。零偏状态。 内建电场内建电场 空间电荷区空间电荷区 P N 空穴空穴电子电子 扩散扩散 漂移漂移 如果如果pn结正向电压偏结正向电压偏 置（置（p正，正，n负），则负），则 有较大正有较大正向电流向电流流过流过 pn结。结

43、。 若若pn结反向电压偏置，结反向电压偏置， 则有一很小的电流流则有一很小的电流流 过过pn结。该电流在反结。该电流在反 向击穿前几乎不变，向击穿前几乎不变， 称为反向饱和电流。称为反向饱和电流。 pn结的伏安特性结的伏安特性 为为： ) 1( / kTeu sod eii Id是暗电流，是暗电流，iso是反向饱和电流是反向饱和电流 零偏条件下如果零偏条件下如果照射光的波长照射光的波长 满足条件：满足条件： )( 24.1 eVE i 无论光照无论光照n区或区或p区，都会产生电子空穴对。区，都会产生电子空穴对。 当内建电场的方向为电流的正方向时，当内建电场的方向为电流的正方向时，PN结结 两端

44、接入适当的负载电阻两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量，若入射辐射通量 为为e,作用于作用于PN结上，在负载电阻结上，在负载电阻RL的两端产生的两端产生 压降压降U，流过负载电阻的电流应为，流过负载电阻的电流应为 ) 1( KT qU s eIII 式中， I为光生电流，Is为暗电流。 h e qI d , e )1 ( , e )1 (e h q II d sc 当当U=0（PN结被短路）时，输出电流结被短路）时，输出电流ISC即即 短路电流，并有短路电流，并有 当当I=0时（时（PN结开路），结开路），PN结两端的开路电压结两端的开路电压UOC为为 ) 1ln( OC D I I q

45、 KT U 特殊特殊： 光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为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光电二极管的暗电流ID一般远小于光电流一般远小于光电流I，常将其忽略。，常将其忽略。 光电二极管的电流与入射辐射成线性关系光电二极管的电流与入射辐射成线性关系 , )1 ( e d e h q I 当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均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，形成空穴载流子，遮蔽区的载流子浓度很低，

46、形成浓度差浓度差。 由于载流子迁移率的差由于载流子迁移率的差 别产生受照面与遮光面别产生受照面与遮光面 之间的伏特现象称为之间的伏特现象称为丹丹 培效应。培效应。 丹培效应产生的光生电压丹培效应产生的光生电压 pn pn pn pn D pn n q KT U 00 0 1ln n0、p0为热平衡载流子的浓度；为热平衡载流子的浓度；n0为半导体表面处的光为半导体表面处的光 生载流子浓度；生载流子浓度；n=1400cm2/(Vs), ,p=500cm2/(Vs)，显，显 然，然，np。 半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特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

47、于双极性载流子扩散运动速率不同而产生电压。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的光生伏特现象称为丹培效应丹培效应。 在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，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当半导体受光照射产生丹培效应丹培效应时，由于电子和空穴在磁时，由于电子和空穴在磁 场中运动受到洛伦兹力作用，它们的运动轨迹发生偏转，场中运动受到洛伦兹力作用，它们的运动轨迹发生偏转， 空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。 结果结果: :在垂直于光照方向与在垂直于光照方向与 磁场方向的半导体上下表面磁场方

48、向的半导体上下表面 上产生伏特电压，称为上产生伏特电压，称为光磁光磁 电场。电场。这种现象称为这种现象称为半导体半导体 的光磁电效应。的光磁电效应。 光磁电场为光磁电场为 pn dpn Z pn ppqBD E 00 0 )( p0，pd分别为分别为x=0，x=d处处n型半导体在光辐射作型半导体在光辐射作 用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；D为双为双 极性载流子的扩散系数，在数值上等于极性载流子的扩散系数，在数值上等于 pn pn pDnD pnDD D )( 其中，其中，Dn与与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。分别为电子与空穴的扩散系数。 当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动 量传递给自由载流子。自由载流子沿光线传播方向做相对量传递给自由载流子。自由载流子沿光线传播方向做相对 于晶格的运动。在开路的情况下，半导体样品中于晶格的运动