14半导体器件-光电器件-光吸收与光辐射2学时

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第5章半导体中的辐射和吸收-1

(5.10)式为波矢三个分量的数学表达式，图5.5 为其单位立
方和它的界面示意图。)
18
可以看出：
空间中单位立方体的体积=（2/l)3
(5.14)
可以认为：k 空间中，只要(5.10)式给出的 k 的数值是允许
的，体积为Vk的容积内能够存在的各种 k 的数量等于边
长为和k
k
x k
2 / l 的立方体的总个数。可通过 k 空间中 k 之间的能态数目求出态密度。假定一个薄的球
所谓黑体是指能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想物体。
平衡时物质具有一定的温度，可以用一个温度来描述光和物质的相互作用，描述这关系的便是普拉克发布（ Plank distribution）。在特定温度下。黑体辐射出它的最大能量。
经典理论不能够解析黑体辐射曲线。德国物理学家马克斯·普朗克提出一个假设：这些辐射只能是一些不连续的值，即电子振动的频率只能取一定值，而且辐射出的能量与其振动频率成正比[7]。普朗克得出黑体辐射能量分布的公式，并且同黑体辐射实验的结果完全符合，证明了电子的能级是量子化，为量子力学奠定了基础。普朗克为此成为量子力学的开创人，成为20世纪最重要的物理学家之一，他以其对物理学的杰出贡献获得1918年诺贝尔物理奖。
2，受激辐射
在外来光子的作用下，处于高能级的电子会跃迁到低能级，并发出与外来光子的特性完全相同的另一光子。这种辐射不同于自发辐射，是在外来光子激发下发射出来的，称为受激辐射。受激辐射的光谱窄，相位一致，有偏振方向，输出功率大。
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入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，辐射出两个同样的光子。同样地，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，获得更多的同样光子。在合适条件下(提供泵浦的新能量和提供正反馈的谐振腔)，入射光子就可以象雪崩一样得到放大，辐射出大量波长、相位、方向等性能都相同的光子，这个过程就是光放大。所有的激光器都是建立在这种光放大的工作原理基础上的，

电子技术基础教程第9章光电子器件及其应用优选全文

光敏电阻将光的强弱变化转变为电阻值的差异，从而
可以由流过电流表的不同电流直接显示亮度。其中R1、 R2用于调节表面刻度，RW用于控制表头的灵敏度。
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（2）红外测温仪的前置放大电路
调制光入射光敏电阻后转化为电信号，然后送放大
器进行放大。输出uO的大小即可反映温度的高低。
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光电耦合器件：光电器件与电光器件的组合。
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9.1 发光二极管（LED）
9.1.1 发光二极管的工作原理 1.发光二极管的外形、电路符号和伏安特性
外形图：
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电路符号和伏安特性
•LED的正向工作电压UF一般为1.5～3V； •反向击穿电压一般大于5V；
•正向工作电流IF为几毫安到几十毫安，且亮度随IF的增加而
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9.2.1 光电器件及其应用
箭头与
LED符号
1.光电二极管外形、电路符号及工作原理的区别
外形
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光导模式
电路符号
光伏模式
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2.光电二极管的应用
（1）光电二极管的简单应用电路
光照射，2CU导通，有电压输出
光照射2CU, VT导通， KA吸合。
简单光控电路
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光控继电器电路
增大；
•发光二极管正向工作电压的大小取决于制作材料；
•不同的半导体材料及工艺使发光二极管的颜色、波长、亮度、
光功率均不相同。
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2EF系列发光二极管的主要参数
型号
工作电流
IF/mA
正向发光电压强度

光电师的知识点总结

光电师的知识点总结第一部分：光电基础知识1. 光电效应光电效应指的是当金属或半导体受到光照射时，会产生电子的排出现象。

这是光电师工作中非常重要的基础知识。

光电效应分为外光电效应和内光电效应。

2. 光电元件光电元件是光电师研究和应用的基础。

常见的光电元件主要包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。

3. 光的波粒二象性光具有波粒二象性，既可以表现为波动，也可以表现为粒子。

光电师需要深入了解这一性质，以便更好地理解光电效应和光电元件的工作原理。

4. 光电信号的生成和传输光电师需要了解光电信号的生成和传输机制，包括光信号的接收、放大、转换和传输等方面的知识。

第二部分：光电测量技术1. 光电测量系统光电测量系统是光电师工作中常用的设备，主要包括光电传感器、光谱仪、光电倍增管、光电二极管等。

2. 光电检测原理与方法光电师需要掌握各种光电检测原理与方法，包括光电传感、光谱分析、光电放大、光电转换等。

3. 光电测量技术的应用光电测量技术在工业控制、环境监测、医学诊断等领域有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的特点和需求，以便更好地开展工作。

第三部分：光电器件与应用1. 光电器件的分类和特性光电器件包括光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电倍增管等，光电师需要深入了解这些器件的分类、特性和工作原理。

2. 光电器件的应用光电器件在光通信、光学成像、光谱分析、光电传感等方面有广泛的应用，光电师需要了解这些应用领域的需求和技术要求。

3. 光电器件的研发和制造光电师需要了解光电器件的研发和制造流程，包括光电器件的设计、加工、测试和封装等方面的知识。

第四部分：光电系统集成与优化1. 光电系统集成技术光电系统集成技术是光电师工作中非常重要的技术，需要深入了解光电器件的选择、配置、连接、控制等方面的知识。

2. 光电系统优化技术光电系统优化技术是光电师工作中必不可少的技术，需要了解光电系统的性能、效率、稳定性等方面的优化方法。

第五章半导体中的光辐射和光吸收

第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。

带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。

的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。

比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。

在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。

于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。

由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。

表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。

通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。

2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。

在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。

这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。

●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。

33半导体的光吸收、光辐射（3.5）

§3.3 半导体的光吸收和光辐射在半导体中，与光有关的现象就是两点：光吸收与光辐射，这是两个相反过程，它构成光与半导体中的电子相互作用的基本内容。

在光吸收过程中，电子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级。

而在光辐射过程中，电子从高能级跃迁至低能级，发射一个光子。

光吸收应用于探测器，光辐射应用于半导体光源。

一、光吸收半导体中的光吸收主要有五种形式：1、本征吸收半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，此过程称为本征吸收。

结果是产生等量的自由电子和自由空穴。

本征吸收产生的条件： g E h ≥ν 既光子能量大于禁带宽度或 g E c h≥λ ν和λ为照射光的频率和波长 ∴h E g ≥ν， c g g m ev E E hc λμλ==≤)()(24.1（阈值波长） c λ只与禁带宽度有关举例： T = 300K E g (ev) c λ(μm)Ge 0.66 1.87Si 1.12 1.1GaAs 1.35 0.922、杂质吸收杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（或价带），此过程称为杂质吸收。

杂质吸收产生的条件：光子能量大于杂质电离能。

d E h ∆≥ν（施主电离能） n 型 a E h ∆≥ν （受主电离能） p 型阈值波长 )()(1.24m ev E E hc d d c μλ∆=∆= n 型 )()(1.24m ev E E hc a a c μλ∆=∆= p 型一般杂质电离能比禁带宽度小很多，因此杂质吸收的阈值波长较长，多在红外或远红外区。

举例： )(ev E d ∆ )(ev E a ∆ )(m c μλSi:P 0.045 29Si:B 0.0439 29Ge:B 0.0104 120Ge:Au 0.053 25实际上，杂质吸收还可以由价带与施主能级之间的跃迁以及受主能级与导带之间的跃迁而产生，这两种跃迁因能级差大，需要吸收较大的光子能量。

2020年高中物理竞赛—基础光学12激光：光的吸收和辐射(共11张PPT)

2020高中物理竞赛
基础光学
激光
激光又名莱塞 (Laser) 全名是 cation by stimulated emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 ——梅塞（Maser）它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦提出的受激辐射理论
碰撞电子
亚稳态
碰撞
三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系
增益介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。
经过介质薄层, 光强增量为
增
I0
I I+dI
益
dI GIdz
介
质
I dI
z
Gdz
I0 I
0
I
I I0eGz
G -- 增益系数说明
I0
dz
o
z
z
在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。
一.光的吸收与辐射
自
E2
发
自发
辐
辐射
射
E1
系
(dN21 dt
)自发
N2 A21
数
受
E2
激
吸
受激吸收
收
E1
系
(
dN12 dt
)吸收
kN1IB
数
受
激
E2
辐
射
E1
受
自发受激
激
辐射辐射
辐
射系
光波的频率相位偏振态
无关
全同
(
dN21 dt
)受激
kN 2 IB
数
一般情况下 B B
二.粒子数反转和光放大

《原子核物理》(辐照方向)课程大纲

《原子核物理》课程教学大纲课程性质：专业基础课教学对象：核工程与核技术辐射化工专业本科学生学时学分：54学时 3学分编写单位：核工程与技术学院编写人：杜纪富审定人：编写时间：2011年5月一、课程说明1、课程简介本课程是原子物理学课程的姊妹篇，它以阐述原子及原子核的结构、特性为中心。

主要内容包括核结构模型、原子核的放射性、α衰变、β衰变、γ衰变、核反应及核能和放射性的应用等。

2、课程教学目标本课程是近代物理学中的一个重要领域。

通过该门课程的学习，使学生了解和掌握原子核的基本性质和结构、放射性现象及一般规律、原子核反应、射线与物质的相互作用、离子加速器、原子能的利用、核技术及应用、粒子物理的一些简单理论，为学生将来继续学习核工程与核技术的课程奠定理论基础和实验技术能力。

3、预修课程与后续课程大学物理、量子力学、原子物理学4、教学手段及教学方法建议原子核物理学是现代物理学的重要内容，作为应用物理专业的学生，原子核物理学的基础知识理论成为必要的学习内容。

因此本门课程首先把基础知识和基本技能教给学生，使得学生扎实地学好，然后再介绍相关现代科学技术的重要成果。

本课程以讲授为主，然后在课程中会介绍与核辐射相关的案例以及实验等。

5、考核方式平时成绩占30%（考勤、课堂表现和作业），闭卷考试成绩占70%。

6、指定教材杨福家等著，原子核物理（第一版）复旦大学出版社，19937、教学参考书[1] 卢希庭主编，原子核物理，原子能出版社，2000年[2] 王炎森、史福庭，原子核物理学，原子能出版社， 1998年8、教学环节及学时安排表1 课程学时分配表9、教学大纲修订说明二、教学内容第一章原子核物理（8学时）教学目标1、了解原子核物理的研究对象及其发展历史2、理解原子核是由核子（中子和质子）组成的，原子核半径的两种含义。

3、理解原子核的结合能及其与质量的关系。

4、了解原子核的自旋、磁矩、电四极矩、宇称的定义。

本章重点1、原子核半径的两种含义以及结合能与质量的关系。

《光电材料与器件》课程教学大纲

《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。

2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。

3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。

掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。

能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。

七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。

本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。

（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。

（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。

课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。

（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。

八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。

（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。

光的吸收与受激辐射2

w k 'k 4π 2 e 2 2 = rk ′k ρ(ωk ′k ). 2 3h
下面研究自发辐射理论
11.5.2 自发辐射的Einstein理论
前面提过,在非相对论量子力学理论框架内是无法解释原子的自发辐射现象的。因为按量子力学一般原理，如无外界作用,原子的 Hamilton 量是守恒量。如初始时原子处于某一定态,则原子将保持在该定态, 不会跃迁到较低能级去。 Eintein曾提出一个很巧妙的半唯象理论来说明原子的自发辐射现象。他借助于物体与辐射场达到平衡时的热力学关系，指出自发辐射现象必然存在，并建立起自发辐射与吸收和受激辐射之间的关系。
4.微扰微扰Hamilton量：微扰量
r r r r H ′ = −eφ = −e(− E ⋅ r ) = −e(− E0 ⋅ r cos ωt ) r r = − D ⋅ E0 cos ω t = W cos ωt r r r r W = − D ⋅ E0 , D = −er (电偶极矩） . 其中
吸收粒子数
nk Bk ′k ρ(ωk ′k ) ≠ nk ′ Bkk ′ρ(ωk ′k ),
辐射粒子数
因此，如只有受激辐射，就无法与吸收过程达到平衡。出自平衡的要求，必须引进自发辐射。由于 nk ′ < nk，必须在上式右边再加上一项，使体系能达到平衡
nk Bk ′k ρ(ωk ′k ) = nk ′ [Bkk ′ρ(ωk ′k ) + Akk ′ ],
hνk'k
hνk'k Ek
无光照下，原子也可以自发的从高能级跃迁到低能级，并放出光子。
hνk'k Ek
4. 谱线频率（或波数）谱线频率（或波数）按照频率条件，与初末态能量差△E相对应的频率v= △E//h 5. 谱线相对强度是一个与跃迁速率成比例的量，实际上与参与跃迁的粒子数成正比。

光电检测器件工作原理及特性(精)

光电检测器件工作原理及特性
辐射度量与光度量半导体物理基础光电检测器件的物理基础光电检测器件的特性参数
1.1辐射度量和光度量
一、光的基本性质波粒二象性 17世纪牛顿提出光的微粒说惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说 1860年Maxwell的电磁理论建立，光也是一种电磁波
电磁波的范围很广，波长从几个皮米到数千米
I dΦ dw
单位：砍德拉 cd
3、光出射度 M
光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量
M dΦ dA
单位：流明/米2 lm/m2
4、光照度 E
被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量
E dΦ dA
单位：勒克斯 lx
S
点光源照明时的照度
n
E
I l2
cos
垂直照明时：
E
I l2
5、光亮度
3）禁带（Forbidden Band）允许被电子占据的能带称为允许带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。
电子中是先占据原子壳层中的内层允许带，然后再向高能量的外面一层允许带填充。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。
4）价带（Valence Band）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。 5）导带（Conduction Band）价带以上能量最低的允许带称为导带。
3、光谱辐射强度 I I () dIe () d
4、光谱辐射亮度 L L () dLe () d
5、光谱辐照度 E E () dEe () d
它们与总辐射度量值之间的关系：
M e 0 M ()d
Ie 0 I ()d
Le 0 L ()d Ee 0 E ()d

光电技术第2讲75181 (2)

光电技术第二讲
物质对光吸收的一般规律
• 用透射法测定光通量的衰减时,得到以下结论:光能量变化与入射的光通量及路程的乘积成正比.
d dx
• 称为吸收系数.
利用边界条件解上面的微分方程,得到
0ex
当光在物质中传播时,透过的能量衰减到原能量的
过的路程的倒数等于物质的吸收系数.
e1
1/ x
时所通
1
g
q
bd
hvKf l3
2
1
2 e,
半导体材料的光电导灵敏度:
1
dg
1 2
q
bd
hvKf l3
2
1
2 e, de,
半导体的光电导效应与入射辐射通量关系:
在弱辐射条件下,光电导与入射辐射通量成线性关系;随着辐射的增强,线性关系变坏,当辐射很强时,关系曲线变为抛物线.
• 光生伏特效应
射阈值,才有电子飞出光电发射材料进入真
空.
Evac
Evac
Eth
Ec
导带 EAEnf
Ef
Eg 禁带 E f
Ev
价带
E pf
• 对于金属材料有: Eth Evac E f • 对于半导体材料,导带中的电子 Eth EA
• 对于半导体材料,价带中的电子 Eth Eg EA
• 对于半导体材料,光电发射长波限为: L hc / Eth 1239 / Eth (m)
• 被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象，称为外光电效应。
• 内光电效应是半导体光电器件的核心技术，外光电效应是真空光电倍增管、摄像管、变像管和像增强器的核心技术。
• 内光电效应
光电导效应：本征光电导效应和杂质光电导效应

半导体器件与工艺教学大纲

半导体器件与工艺一、课程说明课程编号：140320Z10课程名称（中/英文）：半导体器件与工艺/Semiconductor Devices and Technology课程类别：专业选修课学时/学分：48/3先修课程：《半导体物理》，《固体物理》适用专业：应用物理学、光电信息科学与工程、电子信息科学与技术教材、教学参考书：（1）施敏、李明逵著，王明湘、赵鹤鸣译，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2014；（2）施敏著，陈军宁、孟坚译，半导体制造工艺基础，安徽大学出版社，2007；（3）崔铮等编著，印刷电子学——材料、技术及其应用，高等教育出版社，2012；（4）Betty Lise Anderson, Richard L. Anderson 著（美），邓宁，田立林，任敏译，半导体器件基础，清华大学出版社，2008；（5）Donald H. Neamen (美) 著，赵毅强，姚素英，史再峰译，半导体物理与器件，电子工业出版社，2014。

二、课程设置的目的意义本课程大纲适用于应用物理学、光电信息科学与工程、电子信息科学与技术等专业，为专业选修个课程。

通过本课程的学习，使学生对半导体物理、半导体器件和半导体制造工艺及原理有一个较完整和系统的概念及理解，同时半导体器件制造相关领域的新设备、新工艺和新技术，使得学生初步具有一定的半导体器件及制备工艺分析和工艺设计能力，以及解决相关器件工艺技术问题的能力。

三、课程的基本要求1 知识要求1) 了解半导体器件和工艺技术发展历程及其重要性。

2) 掌握半导体器件的基本工作原理。

3) 掌握半导体器件的基本制造工艺技术。

2 能力要求1) 具有半导体器件和制备工艺的分析能力。

具有从参考书、文献、网络等获取能够符合自己需求的知识和信息的能力，具有根据半导体器件与工艺技术的发展现状和趋势能实时完善自身知识结构的能力。

2) 具有一定的半导体器件制备工艺设计能力，以及解决相关工艺技术问题的实践能力。

实现光辐射治疗仪技术要求的器件设计与选择

实现光辐射治疗仪技术要求的器件设计与选择光辐射治疗仪（Photobiomodulation Therapy Device）是一种利用光的特定波长来促进人体组织修复、减轻疼痛和促进愈合过程的医疗设备。

为了实现光辐射治疗仪技术要求，我们需要进行器件设计与选择。

下面将详细介绍实现光辐射治疗仪技术要求的器件设计与选择。

1. 光源器件的选择：光源是光辐射治疗仪的核心部分，它需要提供特定波长和适宜的光强度。

常见的光源器件有激光二极管（Laser Diode）、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）等。

根据治疗需求，可以选择单一波长的激光二极管或者多波长的LED光源。

同时，根据治疗部位的不同，还需要考虑光源器件的尺寸、散热性能以及工作寿命等因素。

2. 光导器件的设计与选择：光导器件用于将光源的光能高效地输送到治疗部位。

常见的光导器件有光纤（Optical Fiber）和光导波导（Light Guide），其选择需要考虑光的传输效率和治疗部位的特殊性。

例如，对于需要集中照射的小面积部位，光导波导可以提供更精确的照射；对于需要大范围照射的部位，光纤则更适合。

3. 过滤器件的设计与选择：光的特定波长对于不同的治疗效果有着重要的影响。

因此，为了实现光辐射治疗仪的技术要求，我们需要设计与选择适当的过滤器件。

过滤器件可以帮助屏蔽或调节控制光源的波长，确保治疗光的准确性和一致性。

选择过滤器件时，需要考虑波长范围、透过率以及过滤器件的耐久性等因素。

4. 控制系统的设计与选择：光辐射治疗仪需要一个可靠的控制系统来确保光源的参数准确设定和治疗过程的监控。

控制系统包括微控制器或其他控制芯片、传感器、显示屏、按钮等组成。

设计控制系统时，需要考虑参数调节的灵活性、控制精度以及用户界面的友好性。

5. 安全保护装置的设计与选择：安全性是光辐射治疗仪设计中至关重要的方面。

治疗过程中需要保证患者和操作者的安全。

安全保护装置可以包括光辐射功率的监控与限制、过热保护、电源保护等。

半导体中的光吸收和光探测器ppt课件

半导体中的光吸收和光探测
半导体对光的吸收机构大致可分为： ①本征吸收； ②激子吸收； ③晶格振动吸收； ④杂质吸收； ⑤自由载流子吸收. 参与光吸收跃迁的电子可涉及四种： ①价电子； ②内壳层电子； ③自由电子； ④杂质或缺陷中的束缚电子，
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去
② 因为价电子要能够从价带跃迁到导带，至少应该吸
收禁带宽度Eg大小的能量，这样才能符合能量守恒规律，所以就存在一个最小的光吸收能量——光子能量
的下限，该能量下限也就对应于光吸收的长波限——
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去
（4）参考曲线：
常见半导体的带间光吸收谱曲线见图2。 IV族半导体属间接跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线较缓；而III-V族半导体属直接跃迁能带结构，它们的光吸收谱曲线都很陡峭。此外，半导体中载流子的光吸收谱曲线一般都位于带间光吸收谱曲线的截止波长以外。因为载流子光吸收是在能带内部的各个能级之间跃迁，所以吸收的光子能量更小，吸收的光波长更长。
式(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当(h-Eg)的值较大时，吸收系数随h变化缓慢，d随h上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当 (h-Eg)与激子激活能(关于激子吸收将在§7.2中讨论)可以相比拟时，式 (7.1-7)还应作适当修改。即使h0，此时吸收系数并不为零而趋于一
稳定值；当h<Eg，也可观察到由激子的高激发态引起的吸收，如图 7.1-3中的点线所示。

光电器件现代半导体器件物理与工艺

欲使受激辐射大于自发辐射，必须要有很大的光子场能量密度ρ(hν12)。为了达到这样的密度，可以用一光学共振腔来提高光子场。
自受发激辐辐射射＝速速 B B1221率率 nn12
假如光子的受激辐射大于光子的吸收，则电子在较高能级的浓度会大于在较低能级的浓度。这种情况称为分布反转，因其与平衡条件下的情况恰好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件，有许多种方法可以得到很大的光子场能量密度以达到分布反转。受激辐射远比自发辐射和吸收来得重要。
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光电器件 9
辐射跃迁和光的吸收
(a) 在光照射下的半导体
当x＝W[图(b)]时，由半导体的另 0
一端出射的光子通量为
0ex
W0eaW
0
x
W
吸收系数α是hν的函数。右下图为几种应用于光电器件的重要半导体的光吸收系数，其中以虚线表示的是非
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光电器件 2
辐射跃迁和光的吸收
辐射跃迁
光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收
、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为ν12，而hν12=E2E1。
GaAs 物质的量的比 y
G aP
动量 P
桂林电(子a )科G技a A大s1学- y P y的成分与直接及间接禁现带代的半关导系体图器件物理与工(b艺) 相对于红色 (y 0 .4 ) 、橙色 (光0 .6电5 )器、件 15

1光辐射2

0
I e sin d
:0 / 3 : 0 2
Ie=常数
5．辐射亮度Le
定义：辐射源在给定方向上，单位立体角，单位投影面发出的辐射通量，如图所示。
d e Ie d
Le
I e 2 e Le S cos S cos
是给定方向与辐射面元法线间的夹角。辐射亮度Le的单位：
2光度量
前面我们学习了辐射度学的基本物理量: Qe、e、Ie、Me、Le、Ee 光频区域光度学的物理量有: 一一对应 Qv、v、Iv、Mv、Lv、Ev
再次说明：辐射度学的物理量对整个电磁波谱都适用，而光度学中的光度量只在光谱的可见波段(390－780nm)才有意义。其关系如表4所示。
d e Me dS
简称辐出度。
de
半空间的通量反映物体辐射能力的物理量。 (2立体角) 4、辐射强度Ie：定义：辐射源在单位立体角内的辐射通量。 dS球面元 d
Ie
单位是w／m2。（瓦/平方米）
ds
d , de 辐射强度的单位是瓦特· 球面度-1（W·sr -1）
Ie
d
Ieo
dS
Ie
Le dI e / dS cos
余弦辐射体
余弦辐射体的辐射亮度：
Le d ( I eo cos ) / dS cos dI e 0 / dS Leo 得 Le Leo
余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。
余弦辐射体的ds面元“向半空间的辐射通量”: 2 d e L e de Le 0 cos d dS d dS cos
(1) 定义光视效能K ：同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即

光电子技术_3

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。