光电技术第1章物理基础课件.pptx
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- 光电 技术 物理 基础 课件
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1、第一章 光电器件的物理基础 本章着重介绍两个主要内容本章着重介绍两个主要内容 (1 1)辐射量和光度量)辐射量和光度量的定义及它们之间的的定义及它们之间的换算关系;换算关系;(2 2)半导体光电器件的物理基础(包括能)半导体光电器件的物理基础(包括能带理论、带理论、PNPN结理论、半导体光电效应等)。结理论、半导体光电效应等)。1-1 光的概念与度量学中的参量一、电磁波谱与光子能量公式 电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内,具光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内,具有相同的辐射与吸收机理,许多辐射源的光谱有相同的辐射与吸收
2、机理,许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。电磁波谱图 从图可见,电磁波波谱的光频段包括红外光、可见光、紫外线和软X射线部分的电磁辐射,共频率范围为31011Hz到31016Hz,或波长1mm至10nm的范围。光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。子流。1860年麦克斯韦(年麦克斯韦(C.Maxwell)提出光是电提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性,如光磁波的理论。光在传播时表现出波动性,如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。
3、的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年普朗克(年普朗克(Max.Planck)提出了辐射的提出了辐射的量子论,量子论,1905年,爱因斯坦(年,爱因斯坦(Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中,提出光子理论。将量子论用于光电效应之中,提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性,如光的发射、光与物质作用时表现出粒子性,如光的发射、吸收、色散、散射。吸收、色散、散射。光子能量公式:光子能量公式:光子动量公式:光子动量公式:h:普朗克常数普朗克常数 上面两公式等号左边表示光为微粒性质(光上面两公式等号左边表示光为微粒性质(光子能量与动量),等号右边表示光为波动性质子能量与动量),
4、等号右边表示光为波动性质(电磁波频率和波长)。(电磁波频率和波长)。光电转换一般使用固体材料(利用其量子效光电转换一般使用固体材料(利用其量子效应)。从固体能级来说,具有从应)。从固体能级来说,具有从0.1ev到几个到几个ev能量的转换比较容易,即比较容易在十几微米的能量的转换比较容易,即比较容易在十几微米的红外到红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。能量转换。/hphch二、辐射量与光度量光度学光度学(Photometry)(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)(Radiometry)dP现在假如有一个以这个点光源
5、为球心,半径现在假如有一个以这个点光源为球心,半径为为1m1m的球面包围这个点光源,则该球面上的的球面包围这个点光源,则该球面上的辐射照度恰好等于辐射照度恰好等于lW/mlW/m2 2。用这样的假想球面。用这样的假想球面不难求得辐射强度为不难求得辐射强度为I Ie e在距离在距离R R处的辐射照度处的辐射照度为为这一结果表明,一个均匀点光源在空间一点这一结果表明,一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比,与的辐射照度与该光源的辐射强度成正比,与距离平方成反比。距离平方成反比。常用辐射量和光度量比较常用辐射量和光度量比较 常用辐射量和光度量比较常用辐射量和光度量比较(续)三、辐
6、射量与光度量的换算 辐射一般由各种波长组成,每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。某辐通量的连续分布曲线1、光谱量与积分量给定波长0处极小波长间隔d内的辐通量de称为单色辐通量(图中阴影小矩形面积)。eeeedddd e 称为辐射量的光谱密集度或简称为光谱辐通量。单色辐通量的积分为210eeeedd 多色辐通量多色辐通量 全色辐通量全色辐通量 许多接收器所能感受的波长是有选择性的,接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力,光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐
7、通量之比,即()VeK由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm,该波长称为峰值波长)的辐射下,K()最大,记以Km,Km=683lmW-1。对于某给定波长下的Km,定义光谱光视效率V()为()()mkVKV()又称为视见函数。光谱光视效率光谱光视效率V()曲线曲线四、朗伯余弦定律q光源在任意方向上的发光强度正比于光源在任意方向上的发光强度正比于该方向与光源表面法线夹角余弦。该方向与光源表面法线夹角余弦。0cosIIq光源在各个方向上亮度相同(光源在各个方向上亮度相同(L相等)相等)q出射度出射度ML1-2 半导体基础知识 一、半导体的能带理论 1 1、原子能级与晶体能带、原子能级与晶
8、体能带 能级能级:在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子按能级分布。能带能带:晶体中大量的原子集合在一起,而且原:晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离很近,致使离原子核较远的壳层发子之间距离很近,致使离原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使电子不再局限于某个原子生交叠,壳层交叠使电子不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于这种现
9、象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异,与同一能量状态的电子产生微小的能量差异,与此相对应的能级扩展为能带。此相对应的能级扩展为能带。q价带价带:原子中最外层的电子称为价电子,与:原子中最外层的电子称为价电子,与价电子能级相对应的能带称为价带。价电子能级相对应的能带称为价带。q导带导带:价带以上能量最低的允许带称为导带。:价带以上能量最低的允许带称为导带。q禁带禁带:允许被电子占据的能带称为允许带,:允许被电子占据的能带称为允许带,允许带之间的范围是不允许电子占据的,此范允许带之间的范围是不允许电子占据的,此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被围称为禁带。
10、原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带,每的允许带。被电子占满的允许带称为满带,每一个能级上都没有电子的能带称为空带。一个能级上都没有电子的能带称为空带。导带的底能级表示为Ec,价带的顶能级表示为Ev,Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。1、能带理论:晶体中的电子只能处于能带的能级上,且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。2、泡利原理:在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N为能级数。为简明起见,在表示能量高低的图上,用一条条高低不同的水平线表示电子的能级,此图称为电子能级图。3、
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