OMD09-光电子基础

1、1,第七章 光电子基础,2,7.1 色 度 学,色度学 Colorimetry 概念：色度学是量化和物理上描述人们颜色知觉的科学和技术。 与光谱学（spectrophotometry）比较 色度学同光谱学相近，但是色度学更关心的是于人们颜色知觉物理相关的光谱。,3,4,同一色调的彩色光， 会给人以深浅不同的感觉，深红、粉红是两种不同饱和度的红色，深红色饱和度高，粉红色饱和度低。饱和度取决于该色中含色成分和消色成分(灰色)的比例。含色成分越大，饱和度越大；消色成分越大，饱和度越小。,例如：红、 橙、 黄、 绿、 青、 蓝、 紫等不同颜色，发光物体的色调由光的波长决定，不同波长的光呈现不同的色调。

2、 不发光物体的色调由照明光源和该物体的吸收、反射或透射特性共同决定。,彩色光辐射的功率越大，亮度越高，反之亮度越低。 不发光物体的亮度取决于它反射光功率的大小。若照射物体的光强度不变，物体的反射性能越好，物体越明亮，反之越暗。对于一定的物体，照射光越强，物体越明亮，反之越暗。,彩色三要素 描述彩色的三个基本参数： 亮度 色调 饱和度 这三个参量可以描述自然界中的大部分彩色光，我们称之为彩色三要素。,亮度反映光的明亮程度,色调反映彩色的类别,色饱和度反映彩色光的深浅程度,5,彩色视觉 人眼视网膜上有大量的光敏细胞，按形状分为杆状细胞和锥状细胞。 杆状细胞：灵敏度很高，但对彩色不敏感，人的夜间视觉

3、主要靠它起作用，因此，在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色。 锥状细胞：既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由它来完成。 关于彩色视觉，科学家曾做过大量实验并提出视觉三色原理的假设，认为锥状细胞又可分成三类，分别称为红敏细胞、 绿敏细胞、 蓝敏细胞。,6,不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种相似于红、 绿、 蓝锥状细胞特性曲线的三种光源进行配色，在色感上得到了相同的效果。,7,三基色原理 、三基色 根据人眼的视觉特性，在电视机中重现图像时并不要求完全重现

4、原景物反射或透射光的光谱成分，而应获得与原景物相同的彩色感觉。 因此仿效人眼三种锥状细胞，可以任选三种基色。 三种基色必须是相互独立的，任一种基色都不能由其他两种基色混合得到，将它们按不同比例进行组合，可得到自然界中绝大多数的彩色。 具有这种特性的三个单色光叫基色光， 这三种颜色叫三基色。,8,2、 三基色原理 三基色必须是互相独立的 自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数彩色。 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定。 混合色的亮度等于三种基色亮度之和。 因为人眼的三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最敏感，所以在红色、绿色和蓝色光谱区中选择三个基

5、色按适当比例混色可得到较多的彩色。,9,相加混色： 红色+绿色=黄色 绿色+蓝色=青色 蓝色+红色=紫色 红色+绿色+蓝色=白色 红色+青色=白色 绿色+紫色=白色 蓝色+黄色=白色 适当改变三束光的强度，可以得到自然界中常见的彩色光。,10,互补色 当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色。 红与青互为补色 绿与紫互为补色 蓝与黄互为补色,11,色度三角形 三基色混合(相加混色法)所产生的各种颜色，可以由色度三角形予以说明。,12,7. 2 半导体的光电效应,13,半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动-漂移运动。 相应的运动速度-漂移速度 。 漂移运动引起的电流-漂移电流。,1.

6、 载流子的漂移（drift）运动,半导体中电子做随机热运动。碰撞间的平均距离为平均自由程（mean free path，10-7m），碰撞间的平均时间为平均自由时间（mean free time, c, ps） 。,14,施加的电场为E，由冲量定理可以得到,电子的漂移速度正比于施加电场，而比例因子则视平均自由时间与有效质量而定。该比例因子称为电子迁移率（electron mobility）n，单位为cm2/(Vs),电子迁移率,，则,15,对于价带中的空穴，漂移速度可以写为,定性分析：迁移率的大小反映了施加电场影响载流子运动的强度。,16,影响迁移率的因素,不同材料，载流子的有效质量不同；但材

7、料一定，有效质量则确定。,对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定，也就是由载流子被散射的机制来决定的。,17,半导体的主要散射（scatting）机制,* Phonon （lattice）scattering 声子（晶格）散射,* Ionized impurity scattering 电离杂质散射,* scattering by neutral impurity and defects 中性杂质和缺陷散射,* Carrier-carrier scattering 载流子之间的散射,* Piezoelectric scattering 压电散射,18,（1）晶格振动散射,在任何高于绝对零度下

8、晶格原子热振动，这些振动扰乱了晶格的周期场，并允许能量在载流子和晶格之间转移。 晶格振动与温度成正比，在高温下晶格散射变得显著。,晶格散射几率：,19,（2）电离杂质散射,电离杂质散射几率：,当一个载流子经过一个电离的杂质（施主或受主）时发生。由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会发生路径偏移。,杂质散射的几率与电离杂质的总浓度（NI）有关。但与晶格散射不同，在较高温度下，载流子移动速度较快，它们在杂质原子附近停留的时间较短，有效散射也因此减少。,20,总的散射几率：,P=PL + PI+ -,总的迁移率：,21,主要散射机制,电离杂质的散射：,晶格振动的散射：,温度对散射的影响,22,轻掺

9、杂时 电离杂质散射可忽略,迁移率,迁移率与杂质浓度和温度的关系,迁移率杂质浓度,非轻掺杂时,杂质浓度,电离杂质散射,23,迁移率与温度的关系,轻掺：忽略电离杂质散射,高温： 晶格振动散射为主,非轻掺：,低温： 电离杂质散射为主,电离杂质散射,T,24,2. 迁移率与电导率的关系(MobilityConductivity),-殴姆定律的微分形式,殴姆定律的微分形式,25,电流密度另一表现形式,26,电导率与迁移率的关系,27,电阻率与掺杂、温度的关系,28,电阻率与杂质浓度的关系,轻掺杂：常数；杂质完全电离，n=ND p=NA,电阻率与杂质浓度成简单反比关系,非轻掺杂：,杂质浓度增高时，曲线严重

10、偏离直线,原因,29,30,电阻率与温度的关系,31,32,3.强电场效应(Hight-Field Effects ),欧姆定律的偏离,33,电场不太强时：,与电场无关，欧姆定律成立。,电场强到一定程度（103 V/cm）后：,与电场有关，欧姆定律不成立。,平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得比较慢。,饱和漂移速度/极限漂移速度。,电场很强时：,平均漂移速度趋于饱和,34,* 平均自由时间与载流子运动速度有关,35,无电场时：,平均自由时间与电场无关,低电场时：,平均自由时间与电场基本无关,强电场时：,平均自由时间由两者共同决定,36,4. 半导体的性质,半导体电阻温度系数一般是负的，而

11、且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆厘米) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。,37,平衡和非平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它

12、们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。,38,非平衡载流子的产生,光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。,39,半导体对光的吸收,吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收,物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体,40,本征吸收：当光子能量

13、达到禁带宽时，本征吸收开始，称为本征吸收边。 一般的半导体可以区分为两类情形，在图a的情形，导带底和价带顶都位于k=0，所以吸收边的电子跃迁符合k不变的要求，这样的半导体称为直接带隙半导体。在图b的情形，导带底不在k=0，电子从价带顶跃迁到导带底，准动量是不守恒的，所以本来是不允许的；实际上实现这一跃迁是借助于同时还吸收或发射一个声子，以补偿电子准动量的变化。这样的半导体称为间接带隙半导体。,41,42,价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。 能产生激子的光吸收称

14、为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。,激子吸收,21K， GaAs中的激子吸收谱,43,杂质吸收和自由载流子吸收,引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。,44,5. 半导体的光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应,内电光效应: 光电导效应 光生伏特效应 外电光效应: 光电发射效应,45,光电导效应,光照

15、变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导与非本征光电导。 下面讨论本征光电导：,本征半导体光电导效应图,半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。,46,当入射光功率为,为常数时：,用来产生光电效应的光功率:,产生非平衡载流子的光子数：,产生非平衡载流子的浓度：,在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在稳定时光生载流子的浓

16、度为：,光电导为：,暗电导为：,47,那么它的短路光电流密度为：,产生的短路光电流：,光电导的响应时间,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。,48,积分得到：,矩形脉冲光照弛豫过程图,同样停止光照时：,正弦光照弛豫过程图,考察其瞬态过程：,49,光生伏特效应,光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。,产生机制： 侧向光电效应：光生载流子的浓度梯度 光电磁效应：半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为

17、光电磁效应 势垒效应（PN结）,50,PN结光伏效应,将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。,P型,N型,P型,N型,能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功，电势能降低,51,二极管的伏安特性电流：,那么流过PN结的电流为：,若入射光功率为s，光电流的大小为：,52,v,Id,它的供电电流为：,二极管伏安特性,v,I,光敏二极管伏安特性,短路电流为：,开路电压：,说明：第三象限为光电流区 第四象限为光电池区 第一象限不利用,53,光电发射效应,金属或半导体受光

18、照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。,外光电效应的两个基本定律：,1光电发射第一定律斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射 光强度成正比,2. 光电发射第二定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关： Emax=(1/2)m2max=h- h0=h- W,54,表面势垒：金属表面形成的偶电层使表面电位突变,金属表面势垒,光电发射大致可分三个过程： 1)金属的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面