光电子技术前沿复习总结

光电子技术前沿复习资料

一、激光

1、原理、方法（三个部分）

爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级E2上时，如果外来光的频率正好等于（E2 -E1）/h ，由于受到入射光子的激发，E2 能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。——受激辐射过程。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。

泵浦源、粒子数反转、谐振腔

2、特点

单色性、方向性、高强度本质：高度的相干性1）定向发光2）亮度极高3）颜色极纯4）能量密度极大

3、激光的种类

1）固体激光器（红宝石激光器）2）气体激光器（氦氖激光器）3）半导体激光器4）液体激光器(染料激光器)

5）光纤激光器

4、应用

激光测距、激光加工（激光切割，激光焊接，激光打孔，激光去除）、激光防伪、激光手术刀、激光受控热核聚变

激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也不同。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控热核反应等，主要是利用激光的方向性与高功率密度；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用激光的单向性和相干性。

5、LD与LED的比较

半导体发光二极管（LED）与半导体激光二极管（LD）在结构上的根本区别就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。

6、LD的优点、缺点

1）LD的响应速度较快，可用于较高的调制速率。

2）LD的光谱较窄，应用于单模光纤时，光在光纤中传播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED 中由于没有选择波长的谐振腔，所以它的光谱是自发辐射的光谱。其谱宽度一般为0.03~0.04μm。3）由于LD辐射光束的发散角较小，因而耦合的光纤中的功率较高，传播距离较远，而LED的发散角一般在40°～20°范围内，耦合到光纤中的效率较低，通常只有3%左右。

4）LD的输出光强及效率较高，LED的输出光强及效率较低。

1）温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度T，故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流，故其温度特性较好。

2）易损坏，寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。

3）半导体激光器价格昂贵，发光二极管比较便宜。

4）半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的P-I曲线线性范围大，调制时的动态范围相对较小。

二、光电器件

1、内光电效应，外光电效应

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。

内光电效应：内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。

光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在内建电场的作用下，半导体内部产生光电压。

外光电效应:在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

某些材料在入射光子的能量足够大时有电子逸出材料表面的现象。

2、LED照明

蓝光LED发明意义：“高亮度蓝色发光二极管”被称为20世纪的一项伟大发明，发明者就是日本科学家中村修二。有了它，通过与红色和绿色LED组合，才可能出现全彩色LED屏幕，并产生能够取代白炽灯和荧光灯的新一代节能照明灯具。

LED当前的研究领域，显示的水平

3、太阳电池

1）原理（光生伏特效应）

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生内光电效应，将光能转换为电能。

当光照射到p－n结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。

2）描述太阳电池的特征参数

不论是一般的化学电池还是太阳电池，其输出特性一般都是用如下图所示的电流－电压曲线来表示。由光电池的伏安特性曲线，可以得到描述太阳电池的四个输出参数。

开路电压Voc：在p-n结开路情况下（R=∞），此时pn结两端的电压即为开路电压Voc。

短路电流Isc：如将pn结短路（V=0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流Isc。

填充因子FF ：FF = Vop*Iop/Voc*Isc = Pmax/Voc*Isc它表示了最大输出功率点所对应的矩形面积

在Voc和Isc所组成的矩形面积中所占的百分比。

在光电池的伏安特性曲线任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，其中只有一点是输出最大功率，称为最佳工作点，该点的电压和电流分别称为最佳工作电压Vop和最佳工作电流Iop。

特性好的太阳能电池就是能获得较大功率输出的太阳能电池，也就是Voc，Isc和FF乘积较大的电池。对于有合适效率的电池，该值应在0.70-0.85范围之内。

太阳能电池的能量转化效率η：表示入射的太阳光能量有多少能转换为有效的电能。即：

η=（太阳能电池的输出功率/入射的太阳光功率）x100%

= （Vop x Iop/Pin x S）X100%

= Voc•Isc•FF/Pin • S

其中Pin是入射光的能量密度，S为太阳能电池的面积，当S是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率，当S是指电池中的有效发电面积时，η叫本征转换效率。

补充：另外几个太阳电池的重要参数

并联电阻：Rsh；串联电阻：Rs；反向暗电流：Irev

其中，影响Rsh的因素主要包含几个方面：

硅材料，切片机械损伤层，周边扩散P—N 结去除，绒面扩散层是否损坏，电极烧结温度和烧结时间，银桨的成份等。

影响Rs的因素主要包含几个方面：硅材料的体电阻，电极及互联金属的电阻以及电池本身与电极的接触电阻。

Irev一般是指在-10伏或-12伏的反向偏压下，电池的暗电流。而暗电流与Rsh是相辅相成的，它的值增大将会减小Voc，并影响FF，从而导致电池性能的下降。

3）太阳电池种类

按技术成熟程度分：

晶硅电池：单晶硅，多晶硅，

薄膜电池：a-Si，CIGS，CdTe，球形电池，多晶硅薄膜，Grātzel，有机电池

新型概念电池：量子点、量子阱电池，迭层(带隙递变)电池，中间带电池，杂质带电池，上、下转换器电池，a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)，偶极子天线电池，热载流子电池，(也有人称第三代电池)

4）晶体硅太阳电池的制备工艺流程

去除损伤层→表面绒面化→发射区扩散→边缘结刻蚀→PECDV沉积SiN→丝网印刷正背面电极浆料→共烧形成金属接触→电池片测试。

5）为何在晶体硅太阳电池制备中要镀氮化硅薄膜（减反、钝化保护）

由于氮化硅膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力, 氮化硅薄膜作为多晶硅太阳电池的减反射膜, 可显著地提高电池的转换效率, 还可使生产成本降低。

6）氮化硅薄膜的制备方法

PECVD 法沉积氮化硅薄膜, 沉积温度低、沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单重复性好、易于工人掌握操作技术。

7）丝网印刷技术？烧结（目的，对电池的影响）

目的：干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触。

影响：

a）相对铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即FF的变化

b）铝浆烧结的目的使浆料中的有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。局部的受热不均和散热不均可能会导致起包，严重的会起铝珠。

c) 背面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少