光电子技术第3章

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光电子技术入门
n
第七章 光电变换和光电器件
n 7.1 光电转换的几个基本效应
n 7.1.1光电和光热转化的物理基础
n 7.1.2 外光电效应—光电发射效应
n 7.1.3 内光电效应
n 7.2太阳能电池（光伏电池）
n 7.2.1太阳能电池的原理与结构
n 7.2.2太阳能电池的特性和应用
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光电子技术入门
n 什么是光电子技术？光电子技术是研究从红外 波、可见光、紫外光、x射线直至Y射通过一定媒介实现信息与能盘转换、 传递、处理及应用的科学。
n 人们认为，光电子技术是光学和电子学发展的 高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心
n 8.1光纤的基本知识 n 8.1.1光的传输暨光通信的发展 n 8.1.2 光纤的结构与分类 8.1.3 光纤的结构参数
n 8.2光纤的传播特性 n 8.2.1光线在光纤中的传播 n 8.2.2 光在光纤中的传播模式 n 8.2.3光纤内光的传播速度
n 8.3 光纤使用的影响因素—损耗和色散
n 8.3.1光纤的损耗特性
电传感器，用到的是光电子转换技术； n 电话机和电讯网络中进行长距离的对话和信息交流的载体—
光纤也是光电子产品，用到的是光纤、激光等一系列复杂的 光电子技术； n CD和光盘的高密度信息记录涉及到的是激光存储、传输等光 电子技术； n 利用光的双向传输性，光电子技术能将图像、影像信息相互 进行通信的可视化电视多媒体等应用领域，构筑了使用光纤 通信以及卫星通信的信息高速公路，通过局域网和互联网编 织成了全球通信网。 n 在能源危机日益威胁到我们人类生存和发展的今天，太阳能 光电池提供了化解这一危机的新的出路，太阳能电池作为光 电子技术及其产品，正日益显现出其巨大的生命力。

BURIED LAYER
e Dnn p e V Jn e xp k T 1 Ln B
e Dpp n e V Jp e xp k T 1 Lp B
en i W eV exp J 2k T 1 GR 2 B
LED的优点：
simple fabrication； low price； high reliability。
LED的缺点：

slow modulated speed； small output power； broad and incoherent spectra.
2. Material systems for the LED

Recombination between minority carriers injected
Radiationand majority carriers
The applications of LED :
Display; Light source
Compared to the laser diode
r
nr
non-radiative recombination (非辐射复合) ：
I. Radiative efficiency (辐射效率)
Qr
Given：
Rr R r R nr
n
R

1
Qr
r
1
r

1

1
nr
r 1 nr
Qr ~ 1

Qr
for direct bandgap materials
Dn 30cm2 / V s Dp 15cm2 / V s Na 5 1016 cm3 Nd 5 1017 cm3

Dielectric (oxide)
~150μm
~0.5μm heterojunctions ~250μm
产生激光的物质 粒子数反转 谐振腔
Key elements
Direct electrical injection by p-n junction: population inversion of gain medium Internal optical waveguide Mirrors to form an optical cavity
dNa Bvc( ) n(E h ) p(E)dt Bvc( )Nv (E h ) fv (E h )Nc (E)[1 fc (E)]dt
Bcv和Bvc为受激发射的爱因斯坦系数 可以证明： Bcv=Bvc
14
要想获得激光，必须：
dNe>dNa
将fc和fv的表达式代入上式，可得：
fc (E)[1 fv (E h )] > fv (E h )[1 fc (E)]
3
量子阱激光器的能带图
Quantum well
current
eVf
P
ΔEc
n
N
ΔEv
cladding
Lz Active regionwav Nhomakorabeaguide
cladding
Wide-gap materials confine the light: guide the amplified optical mode.
受激辐射
如果半导体中的光子诱发电子从导带向价带的跃 迁，与价带顶部的空穴复合，发射出能量、相位等特 性与入射光子相同的光子，这一过程称之为受激发射。 受激辐射的光谱窄，相位一致，有偏振方向，输出功 率大。

光电子技术基础课程设计指导书西安理工大学2010年12月目录第1章光敏电阻及其应用电路分析与设计 (1)第2章光电池及其应用电路分析 (7)第3章热释电传感器及其应用 (13)第4章光电耦合器及其应用电路 (24)第1章光敏电阻及其应用电路分析与设计1.1 光敏电阻的功能与结构光敏电阻是根据光电导效应制成的光电探测器件，所谓光电导效应就是光电材料受到光辐射后，材料的电导率发生变化。

它可以这样理解：材料的电导率、电阻与该材料内部电子受到的束缚力有关，束缚力越大，电子越难自由运动，电导率越小，电阻越大；当电子吸收外来的一定能量的光子后，根据能量守恒原则，动能增加，材料对电子的束缚力减弱，电导率减小，电阻减小。

从而等到结论：光敏电阻的阻值会随着光照强弱的变化而变化。

光照强，光敏电阻的阻值就小；光照弱，光敏电阻的阻值就大。

暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻。

光敏电阻在应用时，通常采用的电路形式如图1-1所示。

R p为光敏电阻，R L为负载电阻，V b为偏置电压，V L为光敏电阻两端电压。

图1-1 光敏电阻基本应用电路光敏电阻在使用时呈现一定的电路特性：光敏电阻的两极加上一定电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流。

光敏电阻的电路特性（电阻、转换效率等）和光电导体长度有关。

通常将光敏电阻的光敏面作成蛇形，电极作成梳状，如图1-2所示；这样既可保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。

图1-2 光敏电阻的电路符号及蛇形结构1.2 光敏电阻的特性光敏电阻的材料和结构不同，会使光敏电阻呈现不同的特性。

在不同的应用场合下，就应选用不同特性的光敏电阻。

光敏电阻的选择通常应考虑光电材料的光谱特性、光电电路的转换效率和响应时间等因素。

1.2.1 光谱特性光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。