固体电子学光电效应ppt课件

1、第十一章第十一章光电效应根底光电效应根底内容内容 光电导与光吸收光电导与光吸收 半导体发光半导体发光 半导体激光半导体激光外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：具有的能量由下式确定： E=h 式中： h普朗克常数=6.62610-34(Js) 光的频率s-1。 所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的景象称为外光电效应。向外发

2、射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超越逸出功A0时，电子就会逸出物体外表，产生光电子发射，超越部分的能量表现为逸出电子的动能。02021Amvhv式中：m电子质量； v0电子逸出速度。 光子能量必需超越逸出功A0，才干产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体外表时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零， 必需加负的截止电压。 2021mv 对于每一种运动形状来说，原子具有确定的内部能量值，对

3、应为一个能级。习惯将能量值大的能级称为高能级，能量值小的能级称为低能级，原子的最低能级称为基态。 处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发地跃迁到低能级E1，发射一个频率为能量为hE2El的光子。 处于高能级E2的原子，受能量为hE2El的外来光子作用而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来一样的光子。受激辐射的光与入射光具有一样的频率、位相、偏振方向和传播方向 。E2E1E2E1入射光hE2El受激辐射光hE2El入射光hE2El 内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内或产生光生电动

4、势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：光电效应又可分为以下两类： 1 光电导效应光电导效应 在光线作用下，对于半导在光线作用下，对于半导体资料吸收了入射光子能量，假设光子能量大体资料吸收了入射光子能量，假设光子能量大于或等于半导体资料的禁带宽度，于或等于半导体资料的禁带宽度， 就激发出电就激发出电子子-空穴对，使载流子浓度添加，半导体的导电空穴对，使载流子浓度添加，半导体的导电性添加，阻值减低，这种景象称为光电导效应。性添加，阻值减低，这种景象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 2 光生伏特效应光生伏特效应 在光线的作用下可以

5、在光线的作用下可以使物体产生一定方向的电动势的景象称为光生使物体产生一定方向的电动势的景象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体资料制成的光电器件。光敏电阻没半导体资料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，有极性， 纯粹是一个电阻器件，运用时既纯粹是一个电阻器件，运用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值暗电阻很大，电路照时，光敏电阻值暗电阻很大，电路中电流暗电流很小。当光敏电阻遭到中电流暗电流很小。当光敏

6、电阻遭到一定波长范围的光照时，它的阻值亮电一定波长范围的光照时，它的阻值亮电阻急剧减小，电路中电流迅速增大。阻急剧减小，电路中电流迅速增大。 普普通希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，通希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此光阴敏电阻的灵敏度高。实践光敏电阻此光阴敏电阻的灵敏度高。实践光敏电阻的暗电阻值普通在兆欧量级，的暗电阻值普通在兆欧量级， 亮电阻值在亮电阻值在几千欧以下。几千欧以下。 光敏电阻构造 (a) 光敏电阻构造； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra光电池光电池 光电池是一种直接将光能

7、转换为电能光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时本质的光电器件。光电池在有光线作用时本质就是电源，电路中有了这种器件就不需求就是电源，电路中有了这种器件就不需求外加电源。外加电源。 光电池的任务原理是基于光电池的任务原理是基于“光生伏特效光生伏特效应。它本质上是一个大面积的应。它本质上是一个大面积的PN结，当结，当光照射到光照射到PN结的一个面，例如结的一个面，例如P型面时，型面时， 假设光子能量大于半导体资料的禁带宽度，假设光子能量大于半导体资料的禁带宽度，那么那么P型区每吸收一个光子就产生一对自型区每吸收一个光子就产生一对自在电子和空穴，在电子和空穴， 电子电子-

8、空穴对从外表向内空穴对从外表向内迅速分散，迅速分散， 在结电场的作用下，最后建立在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。一个与光照强度有关的电动势。硅光电池原理图 (a) 构造表示图； (b) 等效电路 A硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片PN结电极AII(a)(b) 光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 不同资料的光电池，光谱呼应峰值所对应不同资料的光电池，光谱呼应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在附近，硒光电池在0.5m附近。硅光附近。硅光电池的光

9、谱呼应波长范围为电池的光谱呼应波长范围为0.41.2m，而，而硒光电池只能为硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到运用。电池可以在很宽的波长范围内得到运用。 MOS电容器a MOS电容截面； b 势阱图 金 属Ug氧 化 物 SiO2沟 阻耗 尽 区(势 阱 )衬 底少 数 载 流 子P Si势 阱信 号 电 荷表 面 势(a)(b)电荷耦合器件电荷耦合器件Charge Couple Device, CCD其根本单元是其根本单元是MOS金属金属-氧化物氧化物-半导体电容器。它半导体电容器。它以以P型或型或N型半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约型半导

10、体为衬底，上面覆盖一层厚度约120 nm的的SiO2，再在，再在SiO2外表依次堆积一层金属电极外表依次堆积一层金属电极而构成而构成MOS电容转移器件。这样一个电容转移器件。这样一个MOS构造称为一构造称为一个光敏元或一个像素。将个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、阵列加上输入、 输出构输出构培育构成了培育构成了CCD器件。器件。 CCD最根本的构造是一系列彼此非常接近的MOS电容器， 这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层， 并在其上制造许多相互绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的间隔，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可挪动的电荷信号都将力图向外表势大的位置挪动。为保

11、证信号电荷按确定方向和道路转移，在各电极上所加的电压严厉满足相位要求。任务原理任务原理CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方的信号电荷产生有两种方式：式： 光信号注入和电信号注入。光信号注入和电信号注入。CCD用作用作固态图像传感器时，固态图像传感器时， 接纳的是光信号，接纳的是光信号， 即光信号注入。当即光信号注入。当CCD器件受光照射时，器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，空穴对，其多数载流子空穴被排斥进入衬底，其多数载流子空穴被排斥进入衬底，而少数载流子电子那么被

12、搜集在势阱而少数载流子电子那么被搜集在势阱中，中， 构成信号电荷，构成信号电荷， 并存储起来。并存储起来。 存储存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度，反映图像的明暗程度， 实现光信号与电信实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD经过输入构造对信号电压或电流进展经过输入构造对信号电压或电流进展采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。CCD固态图像传感器固态图像传感器 电荷耦合器件用于固态图像传感器中，电荷耦合器件用于固态图像传感器中， 作为摄像或像敏的作

13、为摄像或像敏的器件。器件。 CCD固态图像传感器由感光部分和移位存放器组成。感光固态图像传感器由感光部分和移位存放器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由假设干光敏单元组成的部分是指在同一半导体衬底上布设的由假设干光敏单元组成的阵列元件，阵列元件， 光敏单元简称光敏单元简称“像素。像素。 固态图像传感器利用光敏固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号信号“图像，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大图像，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位存放器的移

14、位功能将小不等的电荷包空间分布，然后利用移位存放器的移位功能将电信号电信号“图像传送，图像传送， 经输出放大器输出。经输出放大器输出。 导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充溢电子禁带较窄外界能量鼓励满带电子鼓励成为导带电子满带留下空穴光作用下的跃迁和辐射E2 - E1 = hvE1E2(a) 受激跃迁hvE1E2(b) 自发辐射：非相关光hvE1E2(c) 受激辐射：相关光hvhvhvN1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数)N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数)(1) N1 N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光经过这种半导体

15、时，光强按指数衰减。(2) N2 N1，粒子数反转形状，光辐射大于光吸收。当光经过这种半导体时，会产生放大作用。半导体粒子分布形状半导体粒子分布形状问题: 如何得到粒子数反转分布的形状? 电致发光正向偏压使pn节构成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv直接带隙：导带的最低位置位于价带最直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。子的发射。III-VIII-V族元素的合金，典型族元素的合金，典型的如

16、的如GaAsGaAs等。等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需求最高位置的正上方；电子空隙复合需求声子的参与，声子振动导致热能，降低声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。了发光量子效率。发光资料的选择发光资料的选择LD的原理和构造激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是：粒子数反转 产生大量的受激辐射光反响 光放大 (增益 损耗)相位条件 波长选择光反响：光学谐振腔1. 将任

17、务物质置于光学谐振腔 (F-P腔)2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相关光子3. 经过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗 (F-P) 谐振腔100%90%Diode LaserTypical Application of LaserThe detection of the binary data stored in the form of pits on the compact disc is done with the use of a semicond

18、uctor laser. The laser is focused to a diameter of about 0.8 mm at the bottom of the disc, but is further focused to about 1.7 micrometers as it passes through the clear plastic substrate to strike the reflective layer. The reflected laser will be detected by a photodiode. Moral of the story: withou

19、t optoelectronics there will no CD player! Definition of laser A laser is a device that generates light by a process called STIMULATED EMISSION. The acronym LASER stands for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Semiconducting lasers are multilayer semiconductor devices that genera

20、tes a coherent beam of monochromatic light by laser action. A coherent beam resulted which all of the photons are in phase. Fibre Optics An example of application is for the light source for fibre optics communication. Light travels down a fibre optics glass at a speed, = c/n, where n = refractive i

21、ndex. Light carries with it information Different wavelength travels at different speed. This induce dispersion and at the receiving end the light is observed to be spread. This is associated with data or information lost. The greater the spread of information, the more loss However, if we start wit

22、h a more coherent beam then loss can be greatly reduced. Fibre Optics CommunicationMechanisms of Light EmissionFor atomic systems in thermal equilibrium with their surrounding, the emission of light is the result of:AbsorptionAnd subsequently, spontaneous emission of energyThere is another process w

23、hereby the atom in an upper energy level can be triggered or stimulated in phase with the an incoming photon. This process is:Stimulated emissionIt is an important process for laser actionAbsorptionSpontaneous EmissionStimulated EmissionTherefore 3 process of light emission:AbsorptionE1E2Spontaneous

24、 EmissionStimulated EmissionBackground Physics In 1917 Einstein predicted that: under certain circumstances a photon incident upon a material can generate a second photon of Exactly the same energy (frequency) Phase Polarisation Direction of propagation In other word, a coherent beam resulted. Backg

25、round Physics Consider the stimulated emission as shown previously. Stimulated emission is the basis of the laser action. The two photons that have been produced can then generate more photons, and the 4 generated can generate 16 etc etc which could result in a cascade of intense monochromatic radia

26、tion. E1E2h(a) Absorptionh(b) Spontaneous emissionh(c) Stimulated emissionInhOuthE2E2E1E1Absorption, spontaneous (random photon) emission and stimulatedemission. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Stimulated Emission In a system, all three mechanisms occur. However the stimulated emissi

27、on is very very sluggish compared to the spontaneous emission We need to have a much stimulated emission as possible for lasing action How? Refer to the board for the derivation of the Einsteins Absorption of Light Through a Medium Light or photon must be absorbed in order for us to have a lasing ac

28、tion I(x) = I(o) exp (-x)I(o)I(x)AbsorptionlLight that falls on a piece of material will decrease exponentially.l = (N1-N2)B21(hf) n/clN1 is often more than N2 (N1 N1Population Inversionl Therefore we must have a mechanism where N2 N1l This is called POPULATION INVERSIONl Population inversion can be

29、 created by introducing a so call metastable centre where electrons can piled up to achieve a situation where more N2 than N1l The process of attaining a population inversion is called pumping and the objective is to obtain a non-thermal equilibrium. l It is not possible to achieve population invers

30、ion with a 2-state system. l If the radiation flux is made very large the probability of stimulated emission and absorption can be made far exceed the rate of spontaneous emission. l But in 2-state system, the best we can get is N1 = N2. l To create population inversion, a 3-state system is required

31、. l The system is pumped with radiation of energy E31 then atoms in state 3 relax to state 2 non radiatively. l The electrons from E2 will now jump to E1 to give out radiation. 3 states systemPopulation InversionWhen a sizable population of electrons resides in upper levels, this condition is called a p