第一章 光电信息技术物理基础_§1.1理论基础

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第1章 光电技术基础

第1章 光电技术基础

图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽, 磁波谱 。电磁波谱的频率范围很宽,涵盖了由宇宙射线到无 线电波(10 的宽阔频域。 线电波 2~1025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的 的宽阔频域 一小部分,它包括的波长区域从几纳米到几毫米, 一小部分,它包括的波长区域从几纳米到几毫米,即10-9~103m的范围。在这个范围内,只有 的范围。 的范围 在这个范围内,只有0.38~0.78µm的光才能引起 ~ 的光才能引起
π
由上式得到余弦辐射体的 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 余弦辐射体
Me Le = π
(1-17)
Mv Lv = π
(1-18)
6. 辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φ 光源所发射的总辐射通量 e与外界提供给光源的 功率P之比称为光源的辐 之比称为光源的辐(射 效率 效率η 功率 之比称为光源的辐 射)效率 e;光源发射的总光 通量Φ 与提供的功率P之比称为发光效率 之比称为发光效率η 通量 v与提供的功率 之比称为发光效率 v。它们分 别为
3. 辐(射)出(射)度和光出(射)度 度和光出(
对有限大小面积A的面光源, 对有限大小面积 的面光源,表面某点处的面元 的面光源 向半球面空间内发射的辐通量dΦ 与该面元面积dA之 向半球面空间内发射的辐通量 e与该面元面积 之 比,定义为辐(射)出(射)度Me,即 定义为辐 射 出 射 度
dΦe Me = dA
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射) 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐 射 能,用符号Qe表示,其计量单位为焦耳 。 用符号 表示,其计量单位为焦耳(J)。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分, 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分,以 Qv表示,其计量单位为流明秒 表示,其计量单位为流明秒(lm·s)。 。

光电信息物理基础

光电信息物理基础
混合处理
结合模拟和数字处理技术,实现光电信息的综合处理。
光电信息处理技术的应用领域
通信领域
光纤通信、卫星通信、移动通信等, 利用光电信息处理技术实现高速、大 容量的信息传输和处理。
图像处理
利用光电信息处理技术对图像进行采 集、增强、识别等处理,广泛应用于 安防监控、医疗影像等领域。
光电子学
利用光电信息处理技术对光电子器件 进行性能测试、参数测量等,促进光 电子学的发展和应用。
主动式光电成像
通过发射光束照射目标,再接收反射回来的光束进行成像。
被动式光电成像
仅通过接收目标自身发出的光束(如红外辐射、紫外辐射等)进 行成像。
数字光电成像
将传统的模拟成像方式转换为数字方式,便于后续的数字信号处 理和图像处理。
光电成像技术的应用领域
01
02
03
04
安全监控
利用光电成像技术实现远距离 、夜间和隐蔽目标的监控和识
光电器件的工作原理
光电器件通过吸收光子能量, 使电子获得足够的能量跃迁至 导带,形成光电流。
光电器件通常由半导体材料制 成,利用其能带结构来实现光 电转换。
光电器件通过外部电路收集光 电流,实现光信号到电信号的 转换。
光电器件的种类及应用
光电二极管
将光信号转换为电信号的器件,用于光电检 测、光纤通信等领域。
04
光电成像技术
光电成像技术的原理
光电效应
当光子照射到物质表面时,能够 将能量传递给电子,使电子从束 缚状态进入自由状态,形成光电
流。
光电转换
利用光电效应将光信号转换为电 信号,为后续的信号处理提供基
础。
图像形成
通过光电转换后的电信号,经过 一系列的信号处理和图像处理,

光电信息技术(精)ppt课件

光电信息技术(精)ppt课件
其中能量最低的能带 禁带:价带与导带之间的区域
导带 禁带
价带
.
第14页
晶体中原子的能带
3p 3s 2p
2s
1s
原子能级
电子可以在某些整个能带内运动
3s 2p
2s
1s
结晶格能带
未填满 填满
图1.1.1-2 钠原子的能级和结晶格中的能带之比较
.
第15页
导体中的能带
3p
空带
3s
半满带
2p
2s
满带
1s
钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶 体 能 带
能隙较小
导 带(空) 价 带(满)
半导体能带
注意:半导体的能带与绝缘体的能带很相似,只不过价带和导带 之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此,半导体是一种绝 缘体,但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。
.
第22页
.
第23页
半导体分类
•完全纯净和结构完整的半导体称为本征 半导体。 •含有缺陷和杂质的半导体称为非本征半 导体。 •半导体的许多特性是由所含的杂质和缺 陷决定的。
以前由电子方法实现的任务现在 用光学方法来完成 ——光电子技术。
.
第4页
光子学 Photonics (1970)
关于光子的科学及其应用。描述光子 在信息传输中的应用,包括光子束的产 生、导波、偏转、调制、放大,图象处 理、存储和探测 ”。
激光——光子时代的领衔主角。
.
第5页
本课程学什么?
•介绍光电检测技术的物理基础、电光信息转 换、光电信息转换和光电测控技术的应用。
考虑一种如图所示能带结构的 金属,这种能带结构可能相当 于钠(Z=11)的能级。

光电信息技术第一章总复习

光电信息技术第一章总复习
线性度-重要性
2. 灵敏度与光谱特性
灵敏度是表征探测器将入射光信号转换成电信 号能力的特性参数。
U SU Φ
I SI Φ
光电流随波长λ的变化
关系称为探测器的光 谱特性(曲线)。
硅光电器的光谱特性
2 光学基础
电磁空间安全 --光学波段
光学谱区 可见光区
0.01μm~1000μm 0.38μm~0.78μm
hc 1.24 m 0 Eg Eg
杂质吸收 电子 或 空穴
hc 1.24 hc 1.24 μm 或 0 μm 0 Ed Ed Ea Ea
本征吸收
0
杂质吸收
波长增大
非平衡载流子的注入和复合
非平衡载流子 (过剩载流子)
光生载流子 热生载流子
1.辐射能Qe
单位: J
2.辐射通量Φe 又称辐射功率, 简称功率 单位: W
计算光电探测器的光电转换能力常用辐射功率
分析强光对光电探测器破坏机理常用辐射能量
3.辐射强度
I e ( , )
Intensity
在给定方向上的立体角元内,辐射源发出的辐射 通量与立体角元之比
dΦe Ie , dΩ
2.2 光度量
人眼只能感知波长在0.38~0.78μm之间的辐射

人眼对不同波长的感光灵敏度不同
2.2.1.光谱光视效率 或视见函数
最大值在555 nm
明视觉光谱光视效率
• • λ/nm 385 395 • 415 V(λ) 6E-05 0.00022 0.00218 λ/nm 595 615 635 V(λ)
光电信息技术总复习
第一章 光电信息技术物理基础
1 半导体理论基础 2 光学基础 3电路基础 理解掌握 了解

第1章-光电技术的理论基础综述

第1章-光电技术的理论基础综述


对发光强度为1cd的点光源,向给定方向1球面度(sr)内 发射的光通量定义为1流明(lm)。发光强度为1cd的点 光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIV=12.566 lm。
5.辐(射)亮度和光亮度
• 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元 在垂直于给定方向平面上的正投影面积,称为辐射亮度Le, 即
1. 辐射能和光能 • 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能, 用符号Qe表示,其计量单位为焦耳(J)。 • 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分,以 Qv表示,其计量单位为流明•秒(lm· s)
2.辐射通量和光通量
• 辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率;或者说,在单位时间内,以辐射形式发射、传播或接收 的辐(射)能称为辐(射)通量,以符号Φe表示, 其计量单位为 瓦(W),即
除人眼而外,其他的光检测器,如光电池、光电倍增管、 磁头、感光乳胶等也只能感受一定范围的波长,并且对每 种波长的响应程度(反应的灵敏度)也不同。它们对不同 波长的这种选择特性可用与视见函数曲线类似的光谱响应 曲线来表征。 1是锑铯光电管,不能感受0.6um以上的红光;2是人眼;3 是硅光电池;4是热敏元件,对所有波段无选择地接收,灵 敏度相等.
• 阅读和书写用的灯具功率可大些,照度应达到200lX。
4.辐(射)强度和发光强度
• 对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe, 与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射) 强度Ie,即
dΦe Ie dΩ
• 辐(射)强度的计量单位为瓦(特)每球面度 [W/sr] • 发光强度
dQe Φe dt
Qe Φe t
• 对可见光,光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的 所有可见光谱,光能被无穷短时间间隔dt来除,其商定义为 光通量Φv,即

光电信息技术

光电信息技术

美国商务部指出: “90年代, 全世界光
子产业以比微电子产业高得多 的速度发
展,谁在光子产业方面取得主 动权,谁
就将在21世纪的尖端科技的较 量中夺
魁”。在德国,政府已确定光子学 是本
世纪初“对保持德国在国际技术市场 上
的先进地位至关重要的关键技术之一” 。
在日本有评论认为‘21世纪具有代表意
义的主导产
6、 赵梓森等 编著,光纤通信工程,人民邮电出版社,1994年 5月
7、 孙学军,张述军等 编著,DWDM传输系统原理与测试,人 民邮电出版社,2000年2月
8、 王惠文 主编,光纤传感技术与应用,国防工业出版社, 2001年4月
9、 刘瑞复,史锦珊 主编,光纤传感器及其应用,机械工业出 版社,1987年8月
18
目录 章首 节首 上一张 下一张 结束
全书的统稿工作。上海理工大学秦积荣 教授为本书的编写提供了大量原始资料, 并担任本书的主审。
最后作者要感谢中国工程院庄松林 院士为本书写了序,感谢上海市高校课 程建设基金对本书出版的资助,感谢上 海理工大学课程建设基金和东华大学教 材出版基金对本书的资助。
(3)光照开启门电路。(4)光照关闭门电路。
(5) 传送带上小物体计数电路
(画出结构图和电路 图,标明杂光方向)。
7
目录 章首 节首 上一张 下一张 结束
专家倡导的“863计划”受信息化、数字 化、网络化浪潮的推动,中国的光电信 息市场和产业也呈现出高速增长态势, 成为拉动整个国民经济增长的第一支柱 行业。1999年底全国范围内建成了“八 横八纵”的光缆网.武汉、广东和长春 等地提出了建设中国光谷的规划。
现代信息技术的发展,迫切需要培
信息传输:类似于人的神经系统, 负责信息的传送,属通讯领域。传统的 通讯分有线(电缆)和无线(电磁波)

第一章光电技术基础

第一章光电技术基础
M e,s, m 1.309T 5 1015 W·cm-2·μm-1·K-5
2、M 数值随温度升高很快。(M 峰值升高, 维恩曲(线wi下en面)积最增大大发,射M本也领大定)律:
描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式
以上三个定律统称为黑体辐射定律。
意义何在?
第一章光电技术基础
10
例1-1 若可以将人体作为黑体,正常人体温度为 36.5℃,(1)试计算正常人体所发出的辐射出射 度为多少W/m2?(2)正常人体的峰值辐射波长 为多少μm?峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少? (3)人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少?发 烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少?
1.本征吸收
在不考虑热激发和杂质的作用时,半导体中的电子基 本上处于价带中,导带中的电子很少。当光入射到半导体 表面时,原子外层价电子吸收足够的光子能量,越过禁带, 进入导带,成为可以自由运动的自由电子。 同时,在价带中留下一个 自由空穴,产生电子-空穴 对。如图1-9所示,半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带,产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。
第一章光电技术基础
27
显然,发生本征吸收的条件是光子能量必须大于
半导体的禁带宽度Eg,才能使价带EV上的电子吸 收足够的能量跃入到导带底能级EC之上,即
hv Eg
(1-69)
由此,可以得到发生本征吸收的光波长波限
L
hc Eg
1.24 Eg
........(
m)
(0)
只有短于上述波长的入射辐射才能使器件产生
Le,
第一章光电技术基础
(1-54)
15
如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V(λ)
它为与波长有关的相对值。 注意短波长和长波长处

第1章 光电技术基础上

第1章 光电技术基础上

因光在不同的介质n中有不同的波长λ=λ0/n,于是

r2

r1 )
2 1 (
2
0
n2 r2
2
0
n1r1 )
令:Δ=nr——光程
0 2 2 1 令:δ=Δ2-Δ1 ——光程差 则: 0 2 当φ1=φ2时相位差与光程差关系: 0
若光在非均匀介质中传播,则由A到B间的光程为
L dL ndl
A
B
不难证明:
B A
L ct
费马原理
L ndl 0
光总是沿着光程(或者说所需的时间)为极值的路 径传播的,即光沿着光程(亦即所需时间)为极小、 极大或恒定的路径传播。
用最小作用量原理证明折射定律
从A点到B点 光程为:
散焦
象差——透镜 或反射镜等光 学系统所呈的 像与原物面貌 并非完全相同 的现象。
薄透镜
凸透镜——中间部分比边缘部分厚的透镜 凹透镜——中间部分比边缘部分薄的透镜 厚透镜——透镜厚度与球面曲率半径相比不能忽略 薄透镜——透镜厚度与球面的曲率半径相比可忽略 主截面——包含主轴的任一平面 透镜主轴——连接透镜两球面曲率中心的直线
3.光路的可逆性 当光线的方向返转时,它将 逆着同一路径传播。
4.完善成象
如果物点 S 发出的同心光束 球面波经光学系统后仍为一 同心(S´)光束球面波,则 称 S´为 S的完善象点。
完善成象条件:
物点和相应的象点之 间各光线的光程相等.
象差(aberration)
平面反射镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、 能成完善象的光学系统。 同心光束入射于两种透明介质的平面分界面而发生折 射时,折射光不再是同心光束,造成象差.

光电信息技术物理基础

光电信息技术物理基础
光电信息技术物理基础
一、基本概念 在光度学和辐射度学中,测量对象(duìxiàng)都是光学
辐射,仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐 射度量如表。
第二页,共14页。
对于具有连续光谱的辐射,某种辐射度量Χe(如辐射强度、辐 射亮度等)的光谱密集度定义为:在包含给定(ɡěi dìnɡ)波长λ的 无限小波长间隔内,相应的辐射度量与该波长间隔之商,Χe,λ= dΧe /dλ。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射 度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和 辐射度量之间的关系可以表示为:
图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则
第四页,共14页。
2、叠加原理: 若干辐射(fúshè)(光)源在一面元上建立的照度等于
各辐射(fúshè)(光)源单独建立的照度之和。 3、均匀漫射面及其特性:
均匀漫射面(包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射 面)在任何方向都具有相等的亮度,因而在与面的法 线成θ角的方向上的辐射(fúshè)强度或发光强度Iθ = I0 cosθ,I0为漫射面在法线方向的辐射(fúshè)强度或发光 强度。
第八页,共14页。
图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图
一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强
的辐射。因此,为要建立不同波长范围的积分辐射度标 准和光谱辐射度标准,就需要有不同温度的黑体炉。在 目前技术条件下,由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标 准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来,发展了同 步加速器辐射技术,可以作为从软X 射线、真空 (zhēnkōng)紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近 红外辐射的原始标准。
图1.2.1-8标定(biāo dìnɡ)亮度计示意 图

光电信息物理基础——数学基础

光电信息物理基础——数学基础
第20页/共22页
第一章 数学基础
• 高斯散度定理 • 意义:任一矢量场A的散度的体积分等于该矢量场A穿过该限定体积的闭合面的总通量。
第21页/共22页
感谢您的观赏!
第22页/共22页
• 称为矢量场A穿过面S 的通量。 • 当式中S为一小闭合曲线时,取曲面正法向由内向外,记S包围的空间区域
为 ,其体积为 。 • 在直角坐标系中矢量A可表示为
• 有向面元dS可表示为:
•故
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第一章 数学基础
• 根据高斯积分公式,上式可写为: • 利用积分中值定理,上式可写为
• 式中, 为闭合曲面S所围区域 中的一点, 的体积为 。
• 2. 矢量加减运算 • 矢量加法服从交换律: • A+B=C • A+B=B+A • 当有三个矢量相加时,服从结合律: • A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C)
平行四边形法则 三角形法则 第2页/共22页
第一章 数学基础
• 两个矢量相减时,如A-B,先取B的负矢量-B,
A-B
-B
A A-B
α
B
3.单位矢量和分矢量 一个矢量A乘以一个正标量m得到一个新矢量,与
A同向,大小为A的m倍。
单位矢量:大小为1的矢量。如A的单位矢量表示 为。 一个矢量可以用该矢量方向上的单位矢量和该矢量 的大小相乘所得,即:
第3页/共22页
第一章 数学基础
• 任意矢量都可以分解为几个矢量,特别是可以分解为沿坐标轴的互相垂直的分量。 如在笛卡尔坐标系中,矢量A可以分解为:
域存在物理量的场。 • 如果这个物理量是标量,则为标量场,如温度场、电势场等; • 如果这个物理量是矢量,则为矢量场,如电场、磁场等。 • 2.标量场的方向导数和梯度 • 标量场中分布在各点的物理量u是场中点坐标的单值函数,即u=u(r),r代表三个

光电信息物理基础

光电信息物理基础

光电信息物理基础1. 引言光电信息物理基础是光电信息科学与技术的基础课程之一,主要涉及光电物理学和光电子学的基本原理和应用,为研究光电传感器、光电器件以及光电子设备的设计和应用打下基础。

本文将介绍光电信息物理基础的主要内容,包括光电物理学和光电子学的基本原理、光电器件的种类和特性以及光电子设备的应用领域。

2. 光电物理学基本原理光电物理学是研究光与物质相互作用的学科,主要涉及光的传播规律、光的吸收和发射以及光与物质相互作用的基本过程。

常见的光电物理学原理包括:2.1 光的传播光的传播遵循光的几何光学理论和波动光学理论。

几何光学理论描述了光束在直线传播时的基本规律,如光的反射和折射。

波动光学理论则从波动的角度解释了光的传播现象,如衍射和干涉。

2.2 光的吸收和发射光的吸收与发射是光与物质相互作用的基本过程。

光通过与物质的相互作用,可以被物质吸收或者物质发射光。

这些过程可以通过光的能量和频率来描述。

2.3 光与物质相互作用光与物质相互作用包括光与原子、分子以及固体材料之间的相互作用。

光的能量可以激发物质的电子跃迁,产生吸收和发射现象。

其中,电子跃迁是光与固体材料相互作用的主要过程。

3. 光电子学基本原理光电子学是研究光电子器件和系统的学科,主要涉及光的探测、放大、调制和转换等原理和技术。

常见的光电子学原理包括:3.1 光电效应光电效应是指物质受到光照射后,电子从物质中被激发并逸出的现象。

根据光电效应的不同特征,可以将光电效应分为外光电效应和内光电效应。

外光电效应是光照射到材料表面产生的光电效应,常用于光电传感器的设计与应用。

内光电效应是光照射到材料内部产生的光电效应,常用于光电探测器和光电放大器等光电器件。

3.2 光电器件光电器件是用于探测、放大和转换光信号的设备。

常见的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电二极管阵列等。

这些器件基于光电效应的原理工作,可以将光信号转化为电信号或者电信号转化为光信号。

光电信息物理基础 -回复

光电信息物理基础 -回复

光电信息物理基础 -回复1.光电信息物理基础是研究光电信息的产生、传输、处理和应用的基本物理原理。

2.光电信息物理基础的研究对于推动光电技术的发展具有重要意义。

3.光电信息物理基础涉及光的发射、传播和检测等基本过程。

4.光电信息物理基础的研究可以帮助我们理解光电设备的工作原理。

5.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的性能和效率。

6.光电信息物理基础是光电技术发展的重要基石。

7.光电信息物理基础的研究可以促进光电材料的创新和应用。

8.光电信息物理基础的研究对于太阳能和光通信等领域具有重要意义。

9.光电信息物理基础的研究可以帮助我们解决光电设备中的技术难题。

10.光电信息物理基础的学习可以培养学生的实验技能和科学素养。

11.光电信息物理基础的研究对于国家的科技进步具有重要推动作用。

12.光电信息物理基础的理论研究与实际应用相结合,可以取得更好的效果。

13.光电信息物理基础的研究需要掌握相关的数学和物理知识。

14.光电信息物理基础的研究需要进行大量的实验和数据分析。

15.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的可靠性和稳定性。

16.光电信息物理基础的研究可以推动光电技术的跨越式发展。

17.光电信息物理基础的研究可以改善光纤通信的传输质量。

18.光电信息物理基础的研究可以拓展光电设备的应用领域。

19.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的光谱响应范围。

20.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的灵敏度和分辨率。

21.光电信息物理基础的研究可以加速光电信息的传输速度。

22.光电信息物理基础的研究对于光电设备的性能评估具有重要意义。

23.光电信息物理基础的研究可以促进光电设备的节能与环保。

24.光电信息物理基础的学习可以培养学生的创新思维和解决问题的能力。

25.光电信息物理基础的研究可以应用于光电显示技术的发展。

26.光电信息物理基础的研究可以改进光电传感器的灵敏度和稳定性。

27.光电信息物理基础的学习可以提高个人的科学素养和信息处理能力。

光电信息物理基础教学设计

光电信息物理基础教学设计

光电信息物理基础教学设计1. 教学目标本次教学旨在介绍光电信息物理的基础知识,包括光电子学、半导体物理学、固体物理学、信息物理学等方面。

通过学习,学生将了解光电信息物理的基本概念、原理,掌握光电信息物理基础知识的基本方法,提高学生的分析和解决实际问题的能力。

2. 教学内容2.1 光电子学基础1.光子的概念2.光的基本特性3.光的电磁理论4.光的粒子论5.光的波粒二象性2.2 半导体物理学1.半导体基本概念2.禁带和载流子3.杂质半导体及质量控制4.半导体器件的原理和制作2.3 固体物理学1.固体物理学基础概念2.半导体材料的基本物理性质3.光电子元器件的结构与特性4.固体物理学与电子器件的关系2.4 信息物理学1.信息物理学的概念2.数字信号的基础知识3.光通信技术的基本原理与应用4.光电信号的检测和处理技术3. 教学方法本次课程采用“理论讲授+案例分析”教学方法,通过理论知识的讲解和实际案例的分析,帮助学生深入了解光电信息物理的基础知识、概念和原理,并通过习题训练、课外作业等形式,提高学生的分析和解决实际问题的能力。

4. 教学建议4.1 提供充足的学习资源光电信息物理是一门基础性强、理论联系实际的信息学科,教学资源可供选择的范围较广。

为了全面提高学生的学习成效,教师应该积极搜索与确定教学资源。

4.2 培养学生的实验技能通过实验介入教学,这是一种能够提高学生学习光电信息物理的有效途径。

在实验教学中,教师应该考虑实验设备和实验操作手册是否合理,是否能够达到预期的教学效果。

4.3 活跃课堂气氛为了促进学生学习光电信息物理的兴趣,教师应该创设一个良好的课堂氛围。

教师可以通过提问、演示、互动、讨论等方式,让学生获得积极的学习体验。

5. 教学评估为确保光电信息物理的教学效果,需要进行教学评估。

评估内容考虑:1.学生的理解程度和掌握程度2.学生的分析和解决实际问题的能力3.课程的针对性和前瞻性6. 总结光电信息物理作为一门重要的基础课程非常重要,在教学中要加强实际应用性的介绍,通过案例引导学生思考和分析,既能够提高学生理论分析和解决实际问题的能力,也能够增强学生的学习兴趣和动力。

光电信息物理基础

光电信息物理基础

光电信息物理基础涵盖了光电子学、量子光学、光电半导体、光纤通信等多个领域。

在现代通讯和信息技术领域中,光电子学和光电物理学的研究和应用越来越广泛。

在光电子学领域中,研究的主要问题是如何将光子与电子结合起来,开发出新的光学器件。

例如,光电二极管、光电导、光电输运器件等,这些设备可以将光信号释放为电信号,反之亦然。

另外,量子光学是研究光和物质的基本相互作用规律,这项研究的重点是利用量子力学与光的相互作用打开新突破口。

在光电半导体领域中,研究着关于半导体材
料的光发射现象。

半导体中,电洞与导带之
间能的大小决定了固体能带图像,光晕的出
现和消失受到了极大的影响。

光电半导体技
术的发展应用非常广泛,从LED的研发到太阳能电池,从光纤通信到激光器。

光纤通信是另一个光电子领域,其使用了光
纤作为传输媒介,将光的信号通过光纤传输,并将其转换为电信号。

光纤通信比起以往的
通信手段有很多优势,例如数据传输速度快、抗干扰性能强等。

总的来说,光电信息物理基础的研究和应用
为现代通讯、信息技术领域提供了非常重要
的支持,并且其发展前景广阔。

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原子能级和结晶格能带之比较
(4)导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例(如图)
空 带
半满带
3p
与1s 、2s 和 2p 原子能 级对应的能带:完全填满。 但 3s 能带:仅有一半被填 充。在外界电场的作用下,获 得额外的少许能量就可到能带 内附近许多空的状态去,形成电
3s
2p 2s
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
U
UT
1)

当I = 0时,可以确定开路光电压Voc为
式中为Isc短路电流。
光生伏特效应的应用: (1)太阳电池;(2)光电探测 器件。
$1.1.5 热释电效应
热释电效应:某些晶体的电极化强度随温度变化而变化, 从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。 此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。 某些晶体内正负电荷中心并不重合,有一定的电矩,其表 面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变 化时,由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷,从 而表现出热释电效应。
(2)杂质的电离能小于禁带宽度。
另外,因杂质原子数目少,所以杂质光电导效应
相对本征光电导来说也微弱得多。
掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图 光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显,表示本征光电导开始。在 本征光电导长波限左边(光子能量小于锗禁带宽度)的某一波长处曲线 迅速下降,这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。
(b)n 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价 杂质元素(如磷、锑、砷等),即构成 N
型半导体(或称电子型半导体)。
每掺入一个杂质原子,就有一个额外电子。这些额外的电 子占有恰在导带下方的某些分立的能级 。
这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导 带,对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子,叫做施主; 这种半导体叫做 n 型半导体。
分析定态光电导和光强之间的关系,讨论两种情况:
1、直线性光电导的弛豫过程(即光电导与光强呈线性关系)
增加的电子密度Δn(或空穴密度Δp)与光强I的关系表示 为 Δn =αI 在定态的情况下,产生率与复合率相等,光生载流子有确定 的复合几率或寿命τ,这时,对直线性光电导:
Δn/τ=Inαβ
式中In是以光子计算的入射光强(即单位时间内通过单位 面积的光子数);α为光电导体对光的吸收系数。
1s
流。
结论:良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。
例外: 有一些物质,最上面的满带和一个空带重叠,也可成为导体; 人们常称这些物质为半金属(如镁Z=12)。
3p 3s 2p 2s 1s
导 带(空) 能 隙 较 大 价 带(满)
绝缘体能带
(5)绝缘体能带 物质中的最高能带即价带是满的,而且与下一个全空的 能带并且有较大能隙。 一个外加的电场无法使价带中的电子加速,因而不能产 生净电流。所以这种物质称为绝缘体。
波长。
(2)在长波方向,光电导迅速下降原因:只有光子 能量大于材料禁带宽度,才能激发电子——空穴对,引起 本征光电导。 (3)在短波方向,由于波长短,样品对光的吸收系 数大等原因,光生载流子只能发生在表面,大大降低量子 产额。
2、杂质光电导的光谱分布
杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长? (1)当光子能量大于等于杂质电离能时,杂质吸 收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光 生载流子。
导带(空) 能隙较小 杂质能级
++ + +价带(Biblioteka )p 型半导体中的杂质(受主)
为了使半导体的电导率产生大的变化,对于每一百万个半导 体原子,大约有一个杂质原子就足够了。半导体在工业上广泛地 用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集 成电路等等。 半导体的导电能力受光照、温度和掺杂的影响而发生显著的 变化。
二、光电导的弛豫 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的 时间的,同样,当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。 光电导上升或下降的时间就是弛豫时间,或称为响应时间。 光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下,一个光电器件能
否有效工作的问题,决定器件的频率特性。
从光电导的机理来看,弛豫现象表现为在光强变化时,光生 载流子的积累和消失的过程。
对抛物线性光电导材料,Δ n(或Δ p)与光强I的关系为
同时,复合率与光生载流子密度的平方成正比,即 复合率 = b(Δ n)2 式中b为比例系数,这时的定态条件为
所以,决定光电导上升的微分方程为
利用初始条件t = 0时,Δ n = 0,可得上式的解为
光照取消后,决定光电导下降的微分方程为
利用初始条件t=0时,
当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候,便 达到稳定情况,这时的电势差称为开路电压。 如果pn结两端用外电路连接起来,则有一股电流通过, 在外电路负载电阻很低的情况,这股电流就等于光致电流, 称为短路电流。
在稳定条件下,pn结上的光电压与流经负载的光电流I 的关系为
(注:二极管方程
I I S (e
第一章 光电信息技术物理基础
1.光电探测器的理论基础
2.光 学 基 础
3. 电 路 基 础
§1.1.1 能带理论 能带:是描写固体中原子外层电子运动的一种图象。 (1)按照原子理论,原子中的电子只占据某些能级
(2)结晶格中,电子能在某些整个能带内运动,每一能 带与能级相关联。
(3)泡利不相容原理限制了占某个能级的电子数,同样 也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。
(6)半导体内的能带 以硅和锗为例,价带与导带之间的能隙比其它要小得多 ( 在硅中为 1.1 eV,在锗中为 0.7 eV ),于是要将价带中最 上面的电子激发到导带内就容易得多了。
导 带(空) 能隙较小 价 带(满)
半导体能带
半导体内的能带示意图
共价键
载流子
(a)本征半导体 [纯净的半导体]
温度升高时价带中的更多电子被激发到导带。含两种载流子: 导带中的激发电子、价带中空穴。显然,电导率随温度而迅速增 加。 例如,在硅中,温度从250 K 升至450 K时,激发电子的数目 增加106 倍。 半导体的价带和导带之间的能隙较小(约为 1 eV 或更小), 因而比较容易用加热方法把电子从价带中激发到导带中。
态灵敏度也愈高。要根据实际需要,折中地选取。
三、光电导的光谱分布
半导体的光电导与光照的波长有关,故可用光电导来比较 不同波长的光强。 1、本征光电导的光谱分布 几种典型半导体本征光电导的光谱分布如下图所示:
一些典型半导体本征光电导光谱分布曲线图
说明了不同波段的光波需要要不同的材料来响应。
(1)长波限:光电导的数值降到最大值一半时所处的
入射光
应用电路示例
$1.4
光生伏特效应
光生伏特效应指的是由光照引起电动势的现象。 包括两种类型: (1)发生在均匀半导体材料内部(丹 倍效应);(2)发生在半导体的界面。这里仅讨论后一类 情况。 pn结的空间电荷区的电场,称为自建电场。光照产 生的电子空穴对,在自建电场作用下的运动,是形成光 生伏特效应的原因。
式中,L:两极间距;μ:迁移率;E:两极间的电场强度;U:外加
电压。 光电导体的灵敏度与L的平方成反比,为设计器件提供依据。 如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电,那么,光电 增益的表达式为 G = β(τnμn +τpμp )U/l2 式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命;μn和μp分别为自由 电子和空穴的迁移率。
,可得解为
曲线如下图所示。
可以看到,上升和下降 都不对称,我们可以用
来表示弛豫时间。光照开始 后,经过这段时间,光电导 增加到定态值的tanh 1 = 0.75。而光照停止后,光电 导在这段时间内减少到定态 抛物线性光电导的上升和下降的曲线 值的一半。显然,光强愈高 弛豫时间愈短。
弛豫时间愈短,定态灵敏度愈低;弛豫时间愈长,定
2、光电发射第二定律
发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大, 而与入射光的光强无关。光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方 程:
式中 h 为普朗克恒量;v 为入射光频率;me 为光电子的质量; vmax 为出射光电子的最大速率;φ O 为光电阴极的逸出功。
3、光电发射第三定律
当光照射某一给定金属或某种物质时,无论光的强度如何, 如果入射光的频率小于这一金属的红限v o ,就不会产生光电子发 射。 红限为: vo= φo/ h
豫中,光电流按指数规律上 升和下降。在t =τ 时,光 电 流 上 升 到 饱 和 值 的 ( 11/e),或下降到饱和值的 1/e,上升和下降是对称的 。因此定义τ 为光电流的弛 豫时间。显然,直线性光电
直线性光电导上升和下降曲线图
导的弛豫时间与光强无关。
2、抛物线性光电导的弛豫过程(光电导与光强的平方根成正比)
一、光电导体的灵敏度
(1)光电导灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱,用光电
增益G来表示。 (2)G的计算表达式
定义:
G = βτ/ tL : (1) 式中β为量子产额,即吸收一个光子所产生的电子空穴对数
;τ为光生载流子寿命;tL为载流子在光电导两极间的渡越时间
, tL = L /(μE) = L2 /(μU ) 由(1)、(2)式得: G = βτμU/L2 (2)
导 带(空) 能 隙 较小 杂质能级 价 带(满)
n型半导体杂质(施主)
(c) p 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如硼、镓、铟等, 即构成 P 型半导体。在这种情况下,杂质引进空的分立能级 ,这 些能级的位置很靠近价带顶。
因此,容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质 能级上。这个过程在价带中产生空穴。这种杂质原子叫做受主, 这种半导体叫做 p 型半导体。
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