《光电子器》PPT课件

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1、第八章光电子器件主要包括：（1）将电能转化成光能的半导体电致发光器件；（2）以电学方法检测光信号的光电探测器；（3）利用半导体内光电效应将光能转化为电能的太阳能电池。光电子（Optoelectronics）器件是电子和光子共同起作用的半导体器件。光电子器件的主要功能涉及到光子和半导体中电子的相互转换过程，其中广泛利用的光电效应有光电导、光伏和光电发射效应。§1固体中的光吸收和光发射在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：光吸收（opticalabsorption）、自发辐射（SpontaneousRadiation）和受激辐射（Stim

2、ulatedradiation）。光吸收过程光吸收过程当半导体受到光照时，光子被吸收。(a)若光子的能量等于禁带宽度，则会产生电子空穴对；(b)若光子的能量大于禁带宽度，除了产生一个电子空穴对以外，多余的能量将作为热量耗散掉；(c)如果光子能量小于禁带宽度，则只有在禁带中存在杂质或物理缺陷引起的能态时，光子才能被吸收。光发射过程当电子从高能级向低能级跃迁时，释放出的能量是以光子的形式存在的，称之为发光现象。光发射的前提是需要先有某种激发机理存在，然后再通过电子从高能级向低能级的跃迁形成发光现象。前一过程称为激发过程，后一过程称为发射过程。处于激发

3、态的系统是不稳定的，经过一段短时间后，如果没有任何外界触发，电子将从激发能级回到基态能级，并发射光子，该过程为自发发射过程。在发光二极管中起支配作用的有效过程是自发发射。当光子入射到已处于激发态的系统时，位于不稳定高能级上的电子会受到激发跃迁到基态能级，并发射光子，这种过程称为受激发射过程。半导体激光器中的主要过程为受激辐射。§2半导体发光二极管半导体发光二极(lightemittingdiode,LED)管由能自发辐射紫外光、可见光或红外光的pn结构成，是目前应用最广的一种结型电致发光器件。靠正向偏置的pn结的少数载流子注入作用，使电子和空穴分

4、别注入到p区和n区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，以辐射光子的形式将多余的能量转变成光能，因此也称为注入式发光二极管。发光总过程包括：载流子注入、复合辐射和光传输过程。球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型发光二极管的结构发光二极管材料材料发光颜色复合发光方式GaAs红外直接跃迁GaP红、绿、橙黄间接跃迁GaAs1-yPyy<0.45红直接跃迁GaAs1-yPyy>0.45橙、黄间接跃迁GaN蓝直接跃迁发光二极管的优点工作电压低，耗电量小；性能稳定，寿命长；易于集成；单色性

5、好；响应速度快；抗冲击、耐振动；重量轻、体积小、成本低。半导体发射激光，即要实现受激发射，必须满足下面三个条件：通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数反转（populationinversion）。形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射。满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流密度阈值。§3半导体激光器（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation，

6、laser）半导体激光器的原理PN能带正向电压时形成的能带半导体激光器的结构半导体激光器的特点它具有相干性好、方向性强、发射角小和能量高度集中等特点。此外，还具有体积小、效率高、能简单地利用调制偏置电流方法实现高频调制等独特优点。由于这些独特的性质，半导体激光器是光纤通信中最重要的光源之一。§4光电探测器（PhotoelectricEffect）光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件。光电导PIN光电二极管光电二极管光电晶体管雪崩光电二极管光电金属-半导体-金属（MSM）基本的光电效应及光电探测器件半导体光电探测器是用来探测光子的器件，其功

7、能是将光信号转化成电信号，主要利用两类光电效应：光电导（photoconductiveeffect）和光伏效应（photovoltaiceffect）。价带中的电子在吸收光子后，若跃迁到导带，则产生电子-空穴对，或者施主能级上的束缚电子受激跃迁到导带，价带中的电子受激跃迁到受主能级，则产生自由电子或自由空穴，这些由光激发的载流子通称为光生载流子（Photo-generatedCarrier）。光电探测器的基本过程光电探测器的三个基本过程：光子入射到半导体中并产生载流子；载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增；产生的电流与外电路相互作用，形成

8、输出信号，从而完成对光子的探测。光电导效应光生载流子将使半导体的电导率增大，这就是光电导效应；利用光电导效应的探测器称为光电导探测器。光