光电子学 (第五章1)解析
光电子技术安毓英第五章课后习题参考答案1
5.1以图中p型半导体器件为例，栅极加正电压超过MOS晶体管的开启电压时，在半导体金属界面会形成深度耗尽层，称为电子的势阱。
当有光照时，光生电子会聚集在势阱中，形成电荷存储。
以图中三相CCD结构为例，相邻三个栅极电压从高电平依次降低到低电平，为一个周期。
每个栅极电压降低过程与下一个栅极高电平重合。
这样三个栅极位置的电子势阱会依次减小，消失与出现。
存储电子会随着势阱位置的移动发生转移。
电荷输出：外加放大电路，利用电荷电势进行放大，输出信号CCD输出信号的特点：1.信号电压是在浮置电平基础上的负电压2.每个电荷包的输出占有一定的时间长度3.在输出信号总叠加有复位期间的高电平脉冲根据这些特点，对CCD的输出进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平，复位高脉冲及抑制噪声。
5.2光电成像系统利用的都是帧扫描方式，完成一帧扫描所需要的时间称为帧时T，单位时间完成的帧数称为帧速 F, 它们的关系是T=1/F5.3(1)F=0.3m(2) W=n*α=128*a/f=128x100um/0.3m=4.26x10-2 rad5.5从目标调制度（对比度）到人眼观察到，总的调制函数为各个调制函数的乘积，光学体统调制传递函数为MTF O, 人眼能感知的极限调制度为0.026，则0.5×MTF O×0.9×0.5×0.95×0.5≥0.026MTF O≥0.245.7(1)像增强器CCD (ICCD)可以探测微光图像，但是其内经过光子-电子的多次转换，图像质量会有损失，光锥中光纤光栅干涉波纹，折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降，动态范围减小，影响成像质量。
（2）薄型背向CCD器件灵敏度高，噪声低，但当照度低于10-6 lx 时，只能依赖图像增强来提高增益，克服噪音（3）电子轰击型CCD简化了光子多次转换过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具有体积小，重量轻，可靠性高，分辨率高及对比度好等优点。
半导体光电子学第五章第九章-PPT
大家好 15
J th
4.5 103
i
d
20
i
d
[
(1
)
out
1 ln L
1 R
fc ]
GaAlAs/GaAs特征温度120-180℃ InGaAsP/InP T0=65K
大家好 16
四、阈值特性关系小结
1、低维量子材料 2、增益介质 3、侧向折射率波导
大家好 17
作业: 教材181页第1、2题
大家好 13
Ith e(WdL)Nth / s
大家好 14
三、温度对阈值电流的影响
J th
(T
)
J
th
(Tr
)
T exp(
Tr T0
)
T0为一个表征半导体激 光器温度稳定性的重要
参数称为特征温度，T0
与材料和结构相关，由 式看出T0越高LD的温度 稳定性越高，T0趋于无 穷则Jth不随温度而变化
1、名词解释：
功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率
2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提 高半导体激光器的微分量子效率。
大家好 27
5.3 半导体激光器的远场特性
大家好 28
LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解
理面上或解理面一个光波长范围内的分布（与横模，
侧模有关）。远场是指距输出这常常与光束的发散
12分钟→数十万小时
对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然 失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。 LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料， 有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种 因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素的综合效果。
第五章-光子计数技术
5.光电倍增管的偏置电路
光电倍增管的偏置电路都是用电阻分压器组成如图。
一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。 各倍增极电压在80~150V之间。
各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管的增益G的
稳定性。
K
A
C3 C2 C1
28
分压电阻的选取
为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分 压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流 Iamax大得多。 通常要求
加大电容将使脉冲变小变宽； 加大电阻则将使脉冲变大变宽，均 不符合光子计数的要求。
26
在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为
Va I a Ra 8(A) 50() 0.4(mV )
注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同 的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并 使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏 置电路。
20
渡越时间离散的影响
阳极电流脉冲的宽度：阳极电流脉冲的形状中，tw为光电流脉 冲的半宽度，即幅度下降至一半时所对应的脉宽。
阳极电流脉冲的宽度与渡越时间离散程度成正比，越宽就越 容易产生交叠。目前，用于光子计数的光电倍增管的输出阳极 电流脉冲半宽度约为10－30ns。
为了充分利用光电倍增管的响应速度，光电倍增管的电路时
18
1.光电倍增管的工作原理回顾
光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电 信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图如图所示。
D2 D4 D6 D8 D10
D1 D3 D5 D7 D 9
19
《光电子学教程》课后作业答案-部分
解:
则纵模输出的个数为:
为使获得单模输出,需
7.He-Ne激光器的腔长为1m，计算基横模的远场发散角和10km处的光斑面积。
７。在He-Ne激光器的增益曲线上1/2G(v0)处，有两个烧孔，增益曲线半宽度为1500MHz，计算与烧孔相对应的粒子速度有多大？
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第三章激光振荡与工作特性
1.要使氦-氖激光器的相干长度达到1Km,它的单色性Δλ/λ0应为多少？ 解：根据P48式(3-1-2)：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
４）α＝０.５dＢ时： ＝１.１２２， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝１０.９﹪；
５）α＝０.２dＢ时： ＝１.０４７， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝４.５﹪；
4、阶跃光纤的纤芯折射率 ，包层折射率为 ,如果一条光线沿轴向传输，另一条光线沿最大入射角入射。计算传输１ｋＭ后两光线的时延差。 解：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
光电子学课程作业
*
章节目录
第五章 光辐射的探测
第四章 光辐射在介质中波导中的传播
第三章 激光振荡与工作特性
第二章 介质中的光增益
第一器件
第七章 光电转换器件
第八章 第八章 光波调制
第一章 光与物质相互作用基础
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的物理意义。 答：根据 故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。 根据P49(3-1-13)，相干体积的物理意义：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一体积范围为相对应的相干面积与光速的乘积。
半导体光电子学-第五章
激子的产生是由于入射光子能量不足以使价 带电子跃迁到导带，受激电子受到价带空穴 束缚。束缚能
Eexc
mr e 4
2(4
0
)2
1 n2
Ee(1x)c n2
激子吸收谱是一系列分立的。 直接带隙半导体中，自由激子的形成能
h
Eg
Eexc
2k 2 2(me* mh* )
激子吸收系数
在禁戒的直接跃迁半导体中，对于较大的光子能量，吸收趋于式(7.110):
二、半导体光电探测器的性能参数
1. 量子效率和响应度
所产生的电子 空穴对数 入射的光子数
1 exp a0W
1 R1 exp a0d1 1 exp a0W
响应度R：定义为单位入射光功率作用到探测 器上后在外电路中产生的光电流的大小。
轴)上的截距分别为Eg-Es 和Eg+Es，即分别对应于 吸收声子与发射声子的情
况。显然在低温下发射声
子是主要的。
ae
c h Eg
1 exp Es
Es 2
kT
0
h Eg Es h Eg Es
(7.1-23)
图7.1-8和图7.1-9是间接跃迁半导体Ge的基本吸收谱 。由图7.1-9看出，在k空间点和在高的光子能量作用 下，仍可产生允许的直接跃迁，并得到其值不小的吸 收系数。
所以， 光的吸收系数和光的穿透深度是倒数关系。
一、直接带隙跃迁引起的光吸收
以前提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。
1．允许跃迁 只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒(k选择定则)所 产生的跃迁才有最大的跃迁几率。
吸收系数写为
ad A h Eg 1 2
0
光电子学完整PPT课件
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
高等光学教程-第5章参考答案
第五章 部分相干光理论5.1 证明解析信号()t u 的实部u t r ()()和虚部u t i ()()之间互为希尔伯特变换，即它们之间有下面的关系⎰∞∞--=ξξξπd )(P.V.1)()()(t u t u r i ， ⎰∞∞---=ξξξπd )(.P.V 1)()()(tu t u i r证明：（1）由(5-10)式，解析函数的实部()()0()2Re ()exp(2)d r r u t j t νπνν∞⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎰U （5.1-11） 而)](Re[)()(t t u r u =，比较以上两式，可见有关系式⎰∞-=0)(d )2e x p ()(2)(νπννt j t r U u （5.1-13）上式可表示为 ⎰∞∞--+=νπνννd )2exp()()sgn 1()()(t j t r U u （5.1-18）又因为 ()()exp(2)d t j t νπνν∞-∞=-⎰u U所以有 ()()(1sgn )()r ννν=+U U （5.1-19） 对上式两边取傅里叶逆变换11()1()()11()(){()}{()}{(sgn )()}(){sgn )}{()}r r r r t u t νννννν-----==+=+*u U U U U F F F F F 上式中 1{sgn }jtνπ-=-F 再利用卷积定义 ⎰⎰∞∞---=*=*ηξηξηξd d ),(),(y x f g f g g f令 tj f π-= ， )()(t j t f -=-ξπξ ， )()(t u g r = ， )()()(ξξr u g =所以 ⎰∞∞--+=ξξξπd )(..)()()()(t u V P jt ut r r u （5.1-22）可见 ⎰∞∞--=ξξξπd )(..1)()()(t u V P t ur i（2）参考教材中（5.1-10）式的推导过程，对于解析函数的虚部有下式成立⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎰∞)()(d )2e x p ()(Re 2)(νπννt j t u i i U （P5.1-1）)](Re[)()(t j t u i u -= （P5.1-2）比较（P5.1-1）和（P5.1-2）式，得到⎰∞-=-0)(d )2exp()(2)(νπννt j t j i U u所以 ⎰∞-=0)(d )2exp()(2)(νπννt j j t i U u)()sgn 1()()(νννi j U U +=对上式两边取傅里叶逆变换得)}(){sgn )}({)}({)()(1)(11ννννi i j j t U U U u ---+==F F F)()}({}{sgn )()(11t ju j i i +*=--ννU F F )(d )(..1)()(t ju tu V P i i +--=⎰∞∞-ξξξπ所以 ⎰∞∞---=ξξξπd )(..1)()()(t u V P t ui r5.2 考察用宽带光作杨氏干涉实验(1) 证明观察屏上的入射光场可表示为⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c r t P t c r t P t t Q 222111,d d ,d d ),(u K u K u 其中 iii i i i i i cr A s cr πθπθ2)(d 2)(k k K ≅=⎰⎰个针孔第 2,1=i 而i A 为第i 个针孔的面积。
光电子之光电效应第五章
• 主要内容：光电探测器的工作原理、性 能指标、使用技巧。 • 系统及器件的噪声分析 • 各种调制对应的解调方法及其特点 • 特殊探测方法：极弱信号的探测和解调、 提高信噪比的方法
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光电探测器的特性指标（续）
• • • • 暗电流 极限参数 击穿电压 几何参数 – 有源区面积 – 结电容 – 温度系数
光电探测器的特性指标（PIN）
光电探测器的特性指标（APD）
光波的解调
• 强度调制的解调 – 输入： I kf (q) i RI Rkf (q ) – 输出： v Rk f (q) • 振幅调制的解调 – 输入： E (t ) E0 f (q) sin(c t 0 ) – 输出： i RI RkE 02 f 2 (q ) kf 2 (q )
特殊探测方法之取样积分
• 输入信号及其信噪比为：
vin vi v Ni SNR i =
p No MpNo
vi
• 经过M次迭加后：
vo Mvi
vo SNRo v No Mvi Mv Ni
v Ni
v No Mv Ni
• 输出信号的信噪比：
M SNRi
• 特点：能够从强噪声中提取信息
探测机理及其分类
• 按光——电相互作用分类
光电效应 电磁波对材料的影响 热效应 波扰动效应
• 按响应区域分类
点探测器 光电探测器 图象探测器
光电效应
• 内光电效应： – 光电导器件 • 红限 • 光电流 • 响应速度
h E g
0 hc / E g
i so qN G
s1 s2 • 特点：能够剔除信号内包含的噪声！
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➢ (5-1-1)，引起本征吸收最低本征吸收光谱长波限：
0
hc Eg
1.24 Eg
(m)(5 1 2)
➢ 各半导体，Eg不同，0不同； ➢ 几种半导体Eg0
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
➢ 量子阱：2种不同半导体相间排列成，明显量子限制效 应电子或空穴势阱。
➢ 特征： 量子阱宽度限制（足够小形成），载流子波函数一 维向局域化。 三明治结构，中间很薄层半导体膜，外侧两隔离层。
第十七讲要点回顾
问题五：平板波导的主要应用
光开关、 光调制器、 干涉滤波器。
光电子技术的研究内容
光源
传输
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 图E(k)曲线，动量不变（k=0），电子前后态同垂线上——
直接跃迁——跃迁（跃迁前后波矢=）： k ' k (5 1 4)
Ef ➢ Ⅲ-Ⅴ族GaAs，InSb及Ⅱ-Ⅵ族
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
推导(5-1-7)式：
h
Eg
2k 2 2m*N
2k 2 2mP*
2k 2 2
(
1 m*N
1 mP*
)
2k 2 2m*
(5 1 7)
E f h | Ei | (5 1 5)
h Eg E f | Ei | Eg
其中： 1 m*
1 m*N
第十七讲要点回顾
问题二：波导的制造的过程
1. 平板波导加工 2. 基片的制备 3. 波导膜的沉积与生长 4. 材料的改性 5. 刻 蚀 6. 金属板印刷
第十七讲要点回顾
问题三：外延生长条件?
① 吸附原子表面扩散速率； ② 基体与薄膜材料结晶相容性（共格）； ③ 基体表面状态。
第十七讲要点回顾
问题四：量子阱及其特征？
5×10-7cm）比极小（0） h=6.6310-34J/s 电子动量 p mv
hk' hk 光子动量 0
直接跃迁特点： k' k (5 1 4)
➢ 电子吸收能量，动量不变——准动量守恒（0）；
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 半导体波矢k，电子吸收光子跃迁到波矢k’态，k和k’：
hk' hk 光子动量(5 13)
➢ 光子动量h/，与能带电子动量（T=300K，电子量级
半导体，导带极小值与价带极
大值同k——直接带隙半导体。
➢ 光照，电子跃迁几率大。
Ei
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
光电探测技术：把被调制光信号转变成电信号并将其提出技术。
➢ 光通过物质，与其电子，激子，晶格振动，杂质作用——光吸收。 ➢ 由能量大小，材料能级结构，掺杂物性质，光吸收：
光吸收
直接跃迁 本征吸收
间接跃迁 晶格振动吸收 自由载流子的光吸收 激子吸收
物理与微电子科学学院
School of Physics and Microelectronics Science
光电子学 第五章 光辐射的探测 第十八讲
湖南大学 物理与微电子科学学院，王玲玲
2016 年 3 月
第十七讲要点回顾
问题一：波导制造技术的目标？
➢ 同基片上制造大量小型互联装置， 及光电二极管、半导体激光器
)
2k 2 2m*
(5 1 7)
价带顶能量0
Ei
E=0
m折合质量； m*N，m*P电子与空穴有效质量。
|Ei| 由价带顶能量为0点确定
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
1. 直接跃迁（只有光子） 2. 间接跃迁（不仅光子）
1 mP*
h E f | Ei |
Ef
Eg
2k 2 2m*N
2k 2 Ei 2mP* (5 1 6)
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 能带间直接跃迁，准动量守恒，跃迁几率Pif 常数，与光子能量无关。
➢ 价带顶能量O点，电子初态Ei与末态Ef对应：E f h | Ei （| 5 1 5）
Ef
抛物线能带结构：
Eg
2k 2 2m*N
➢ 则（下页）
Ei
2k 2 2mP*
(5 1
6)
Ef
h
Eg
2k 2 2
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 理论分析： 电子从价带到导带跃迁满足能量守恒、 动量守恒。
➢ 电子跃迁： 满足选择定则。
➢ 根据能级结构，本征吸收： 1. 直接跃迁（仅光子）； 2. 间接跃迁（不仅光子）。
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
调制
探测
成像
显示
5
光辐射的探测
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应 §5-3 光辐射探测过程中的噪声 §5-4 光辐射的探测方法
第十八讲要点
1 吸收现象
2
本征、 晶格振动、 自由载流子、
激子、 杂质吸收
3
结合固体 （半导体） 中几种光吸 收过程特点
§5-1 物质中的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
杂质吸收
§5-1 物质中的光吸收
一、本征吸收 二、晶格振动吸收 三、自由载流子的光吸收
§5-2 光探测的基本物理效应
四、激子吸收 五、杂质吸收
§5-3 光辐射探测过程中的噪声
§5-4 光辐射的探测方法
➢ 半导体本征吸收：电子吸收光子能量，价带跃到导带。
➢ 价带顶与导带底间跃迁； ➢ 条件：
光子能量>或=Eg，能量与动量守恒定律： h Eg h 0 (5 11)