固体电子学(第12章)光电效应.ppt

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1、第十一章,光电效应基础,内容,光电导与光吸收半导体发光半导体激光,外光电效应 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。光子具有能量，每个光子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表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。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过逸出功A0时，电子就会

2、逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。,对于每一种运动状态来说，原子具有确定的内部能量值，对应为一个能级。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相同的频率、位相、偏振方向和传播方向。,内光电效应 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。内光电效应又可

3、分为以下两类：（1）光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。,光敏电阻 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波

4、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。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。,光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图,光电池 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实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面

5、向内迅速扩散，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。,硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路,光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应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0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,MOS电容器（a）MOS电容截面；（b）势阱图,电荷耦合器件（Charge Couple Device,CCD）其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。它以P型（或N型）半导体为衬底，上

6、面覆盖一层厚度约120 nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。,CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的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，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。,工作原理CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产

7、生有两种方式：光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时，接收的是光信号，即光信号注入。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成信号电荷，并存储起来。存储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，实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。,CCD固态图像传感器 电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底

8、上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。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信号“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，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，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：价带充满电子禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,光作用下的跃迁和辐射,E2-E1=hv,E1,E2,(a)受激跃迁,hv,E1,E2,(b)自发辐射：非相干光,hv,E1,E2,(c)受激辐射：相干光,hv

9、,hv,hv,N1：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。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。(2)N2 N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。,半导体粒子分布状态,问题:如何得到粒子数反转分布的状态?,电致发光,正向偏压使pn节形成一个增益区：-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,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高位置的正上方；电子

10、空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。,发光材料的选择,LD的原理和结构,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馈 光放大(增益 损耗)相位条件 波长选择,光反馈：光学谐振腔,1.将工作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

11、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，产生大量相干光子,3.通过来回反射，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,Diode Laser,Typical Application of Laser,The detection of the binary data stored in the form of pits on the compact disc is done with the use of a semiconductor laser.The laser is focused to a diameter of abo

12、ut 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:without optoelectronics there will no CD player!,Definition of l

13、aser,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 RadiationSemiconducting lasers are multilayer semiconductor devices that generates a coherent beam of monochromatic light by laser action.A

14、 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 index.Light carries with it informationDifferent wavelength travels

15、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 lossHowever,if we start with a more coherent beam then loss can be greatly reduced.,Fibre Optics Commu

16、nication,Mechanisms of Light Emission,For atomic systems in thermal equilibrium with their surrounding,the emission of light is the result of:AbsorptionAnd subsequently,spontaneous emission of energy,There is another process whereby the atom in an upper energy level can be triggered or stimulated in

17、 phase with the an incoming photon.This process is:Stimulated emissionIt is an important process for laser action,AbsorptionSpontaneous EmissionStimulated Emission,Therefore 3 process of light emission:,Absorption,E1,E2,Spontaneous Emission,Stimulated Emission,Background Physics,In 1917 Einstein pre

18、dicted that:under certain circumstances a photon incident upon a material can generate a second photon of Exactly the same energy(frequency)PhasePolarisationDirection of propagationIn other word,a coherent beam resulted.,Background Physics,Consider the stimulated emission as shown previously.Stimula

19、ted 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 radiation.,Stimulated Emission,In a system,all three mechanisms occur.However the

20、stimulated emission is very very sluggish compared to the spontaneous emissionWe need to have a much stimulated emission as possible for lasing actionHow?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 ha

21、ve a lasing actionI(x)=I(o)exp(-x),I(o),I(x),Absorption,Light that falls on a piece of material will decrease exponentially.=(N1-N2)B21(hf)n/cN1 is often more than N2(N1 N1,Population Inversion,Therefore we must have a mechanism where N2 N1This is called POPULATION INVERSIONPopulation inversion can

22、be created by introducing a so call metastable centre where electrons can piled up to achieve a situation where more N2 than N1The process of attaining a population inversion is called pumping and the objective is to obtain a non-thermal equilibrium.It is not possible to achieve population inversion

23、 with a 2-state system.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.But in 2-state system,the best we can get is N1=N2.To create population inversion,a 3-state system is required.The system is p

24、umped with radiation of energy E31 then atoms in state 3 relax to state 2 non radiatively.The electrons from E2 will now jump to E1 to give out radiation.,3 states system,Population Inversion,When a sizable population of electrons resides in upper levels,this condition is called a population inversi

25、on,and it sets the stage for stimulated emission of multiple photons.This is the precondition for the light amplification which occurs in a LASER and since the emitted photons have a definite time and phase relation to each other,the light has a high degree of coherence.,Optical Feedback,The probabi

26、lity of photon producing a stimulated emission event can be increased by reflecting back through the medium several times.A device is normally fashioned in such a way that the 2 ends are made higly reflectiveThis is term an oscillator cavity or Fabry Perot cavity,Therefore in a laser.,Three key elem

27、ents in a laser Pumping process prepares amplifying medium in suitable state Optical power increases on each pass through amplifying medium If gain exceeds loss,device will oscillate,generating a coherentoutput,法布里-珀罗(F-P)激光器立体图,铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长13001600 nm,常用激光器的基本结构,垂直腔表面发射激光器(VCSEL),阈值电流低

28、(100 mA)，输出功率大，激光纯度高；发光面大、易于耦合；体积小、易于集成，可应用于WDM多波长系统中,分布反馈式(DFB)激光器,内置布拉格光栅FBG：只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程,DFB激光器微观结构,内容回顾,第一章 晶体结构,晶体的特征空间点阵晶列指数，晶面指数配位数致密度倒格子，布里渊区 布拉格方程晶体的对称性,第二章 晶体的结合,晶体按结合力类型的分类各种晶体的主要特征晶体结合力的特点晶体的内能，晶格常数，体变模量的求解电负性，结合能，电离能，电子亲和能，马德隆常数,第三章 晶格振动与晶体的热学性质,单原子链的振动方程双原子链的振动方程色散关系讨论声子能量

29、与分布几率比热容的量子解释热膨胀的解释,第四章 金属自由电子论,自由电子理论电子的能量和比热容电子的电导和热导电子热发射和接触电势差霍尔效应自由电子气模型的局限,第五章 固体能带理论,布洛赫定理近自由电子理论紧束缚理论能带分布电子的有效质量导体，半导体，绝缘体的能级分布,第六章 半导体电子论,半导体的能带结构载流子类型和掺杂原理掺杂半导体的能级结构载流子浓度载流子的扩散和漂移PN结原理,第七章 金属-半导体接触,金属与半导体的接触：肖特基接触和欧姆接触肖特基接触的特点，肖特基势垒，肖特基二极管欧姆接触的特点，实现方法,第八章 金属-绝缘体-半导体接触,表面态表面电场效应MIS结构电容电压特性,第九章 固体的磁性,简介磁性起源磁性物质的划分磁性的解释,第十章 超导电性,宏观基本特性：零电阻 _ 超导电性热力学（二级相变理论）迈斯纳效应 超导电性电动力学（伦敦皮帕德）微观机制：电子对相干凝聚（e-p）BCS微观理论第二类超导体：G-L-A理想第二类超导体理论，k1/2强电应用约瑟夫森效应：弱电应用本ppt由凌霄书屋网http:/,