第三章 光电信息转换的物理基础
光电信息物理基础第三章作业解答
第三章作业解答3.2 沿z 方向传播的平面波相位函数kz t t z −=ωϕ),(，而球面波kr t t z −=ωϕ),(。
证明相速度kv p ω=。
证明：相速度即等相位面的传播速度，定义式为0=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ϕd p dt dz v ，0=ϕd ，表示求相速度的时候须保持相位值不变。
P45对于沿z 方向传播的平面波，相位函数为kz t t z −=ωϕ),(，又因为：kdz dt kz t d d −=−=ωωϕ)(所以当相位值保持不变时0=−=kdz dt d ωϕ，kdz dt =ω，相速度为kdt dz v d p ωϕ=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==0而球面波kr t t z −=ωϕ),(，径向距离为dr ，kdr dt kr t d d −=−=ωωϕ)( 所以当相位值保持不变时0=−=kdr dt d ωϕ，kdr dt =ω，相速度为kdt dr v d p ωϕ=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==03.3 设单色波电场为)()(kz t i kz t i x Ce AeE +−−−+=ωω，0==z y E E （1）解释它代表什么样的电磁波；（2）求相应的磁场H K（3）求能流密度的平均值。
解（1）该电磁波的电场强度振动方向沿x 方向，为x x E e E KK =，传播方向沿z 方向（从位相因子kz 得出）。
[]0)()(=∂+∂=∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇+−−−x Ce Ae x E z E y E xE E kz t i kz t i x z y x ωωK 所以它代表无源自由空间内的单色电磁波。
（2）相应的磁场z E e i E z y x e e e i E E E z y x e e e i E i H x y x zy x zy x z y x ∂∂=∂∂∂∂∂∂=∂∂∂∂∂∂=×∇=K K K K K K K K K μωμωμωμω100 111 （0=∂∂yE x ） 所以[][])()()()()()(1kz t i kz t i y kz t i kz t i y kz t i kz t i yCe Ae k e i ikCe ikAee z Ce Ae e i H +−−−+−−−+−−−−=−=∂+∂=ωωωωωωμωμωμωK K K K 磁场强度沿y 方向。
光电转换的原理
光电转换的原理
光电转换是指将光能转变为电能的过程。
其原理基于光电效应和半导体材料的能带理论。
光电效应是指当光照射到物质表面时，如果光子的能量大于物质表面电子的束缚能，光子与物质表面的电子发生碰撞，使电子获得能量从而跃迁到能带的导带中。
在光电效应中，光子的能量被电子吸收而电子的能量大于光子能量。
半导体材料由于其特殊的能带结构，成为最常用的光电转换材料。
在半导体材料中，导带上带有自由电子，价带上的自由位置可以被电子占据。
当光照射到半导体上时，光子的能量可以被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带中形成电子空穴对。
这个过程中，产生的电子空穴对可以在半导体中移动，从而形成电流，实现光电转换。
光电转换的效率取决于多个因素，包括光源的光强、光电转换材料的光吸收能力、能带结构以及材料的纯度等。
为了提高光电转换效率，常采取一系列措施，如选择合适的光电转换材料、优化材料结构、控制杂质浓度、增加光吸收层厚度等。
光电转换技术在太阳能光伏电池、光电器件、光电测量等领域有广泛应用，并且在可再生能源领域具有重要的地位。
通过不断对光电转换原理的研究和理解，可以进一步优化光电转换材料和器件设计，提高光电转换效率，推动可再生能源技术的发展。
光电信息物理基础
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，
光电器件的物理基础
光度学的基本物理量
光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对 应的。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标 “e”，在光度量符号上加下标“V”。
人眼对等量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感 觉是不同的，定义光谱辐射通量为Φe(λ)的可见光辐 射，所产生的视觉刺激值为光通量：
v () K m • V () • e ()
能，又称辐射功率 。 符号：Φe 单位：瓦[特](W)
辐[射]出[射]度 ：从辐射源表面单位面积发射的辐 射通量。
符号：Μe 单位： (W/m2) 辐[射]照度：投射到单位接收面积的辐射通量。
符号：Εe 单位： (W/m2)
辐[射]强度：在指定方向上的单位立体角元内，离 开点辐射源或辐射源面元的辐射功率。
光电器件的物理基础
本章着重介绍两个主要内容：一个是辐射量和光度量的定义 及它们之间的换算关系；另一个是半导体光电器件的物理基 础，如能带理论、PN结理论、半导体光电导效应、光伏效应 和光电发射过程等。这些是以后各章所述具体光电器件的理 论基础，对于正确理解和掌握各种光电器件的原理、性能和 用法是十分重要的。
光子能量公式：ε= hν 光子动量公式：p = hν/c = h/λ h：普郎克常数
上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），
等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。 光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级
来说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容 易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率 的能量转换。
电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子
能级 能带 允许带
电子共有化
禁带
不允许电子占据
光纤通信原理与技术课程教学大纲
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲英文名称:Fiber Communication Principle and its Application学时:51 学分：3开课学期：第7学期一、课程性质与任务通过讲授光纤通信技术的基础知识,使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机)。
通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法,了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。
二、课程教学的基本要求要求通过课堂认真听讲和实验课,以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。
三、课程内容第一章光通信发展史及其优点（1学时）第二章光纤的传输特性（2学时）第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时）第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件(9学时）第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时)第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时）第七章光纤传输系统（4学时)第八章光纤网络介绍（6学时）第九章光纤通信原理与技术实验(17课时)四、教学重点、难点本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用,光电新产品开发举例。
本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。
（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2）六、教学方式理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。
七、本课程与其它课程的关系1。
本课程必要的先修课程《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程2。
本课程的后续课程《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。
八、考核方式考核方式：考查具体有三种。
根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种.第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定.对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告)和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%,实验成绩占总成绩的30％,作业成绩及平时考勤占总成绩的15％。
光电信息技术物理基础
•图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则
•2、叠加原理： • 若干辐射（光）源在一面元上建立的照度等于 各辐射（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角的方向上的辐射强度或发光 强度Iθ = I0 cosθ，I0为漫射面在法线方向的辐射强 度或发光强度。
受热升温引起
•绝对辐射计原理图
同等的物理效 应。
• 上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在 实际工作中，两者互为补充。
• 辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量 两同名辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，
但必须有良好的线性。在某些情况下，如测量选择性光
学材料的积分反射比或透射比，还要求测量系统的接收
•图1.2.1-7 绝对辐射计 - V(λ)滤光器构成 •光度基准标定发光强度副基准，用 以标定一组色温度为2856K 的标准灯的发光强度值， 作为次级标准，即发光强度副基准，且作保持发光 强度单位──坎德拉。
• 发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定距 离处的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比法则 计算得出，用来标定光照度计。 • 当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为ρ， 面上的照度为E,则它的亮度为L = ρE/π。因此可用发光强 度标准灯照射已知漫反射比的标准漫反射板来标定亮度 计（见图1.2.1-8）。
出类似的定义。光度量和辐射度量之间的关系可以表示
为：
•
ΧV = K m ∫Χe,λV(λ)dλ
•
Χ’V = K’m ∫Χe,λV’(λ)dλ
•式中ΧV和Χ’V分别为与Χe,相对应的明视觉光度量和暗视
第三章光电技术PMT
K
二、 光电倍增管的基本特性
1.
灵敏度
（1）阴极灵敏度 定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量 之比为阴极的光谱灵敏度，并记为
S k ,λ
Ik Φe, λ
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与 光谱辐射通量的积分之比，记为Sk
Sk Ik
0 e, λ d
（2）阳极灵敏度 定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射 通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为
影响暗电流的主要因素：
1. 欧姆漏电 2. 热发射 3. 残余气体放电
4. 场致发射
5. 玻璃壳放电和玻璃荧光
8.
疲劳与衰老
光电阴极材料和倍增极材料中一般都含有铯金 属。当电子束较强时，电子束的碰撞会使倍增极和 阴极板温度升高，铯金属蒸发，影响阴极和倍增极
的电子发射能力，使灵敏度下降。甚至使光电倍增
2.
为什么纯金属不适合用作光电阴极材料？ 金属材料是否满足上述4点？
——其反射率为90%，吸收光能少； ——体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损 失大，逸出深度小； ——逸出功大（>3eV），难逸出金属表面，量子 效率低； —— 光 谱 响 应 在 紫 外 或 远 紫 外 区 （ 红 限 不 长 于 600nm），适于紫外灵敏的光电器件。
EcN
Ec
EA
Eg
E
本征半导体
Eg
E
(a ) (b)
N型半导体
ED
Eg
E
(c )
P型半导体
P
EA
电子亲和势（EA）—— 指导带底上的电子向真空逸出所需要 的能量。 光电逸出功 —— 指材料在绝对零度时光电子逸出表面所需的 最低能量。描述材料表面对电子束缚的强弱。
第二章：光电信息转换的物理基础
C
n (E) g E f E
EC
当(EC－EF)>>kT，则f(E)=~exp[-(E-EF)/kT],Feimi-Dirac统计由玻尔茲 曼统计代替，这样的半导体是非简并的，对于非简倂的半导体
g E 4
h
3
2m* e
EEc
3/ 2 3/ 2
1/ 2
在价带内的能级密度 （可能的状态信息）
g E 4
h
3
2m* p
E vE
1/ 2
图2－4 能级密度与电子概率分布
半导体统计
2. 费米能级和电子占据率 关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中 电子能级的分布服从费米－狄拉克统计分布规律。 在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为
f E
1 E EF 1 exp kT
k是玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K；T为绝对温度；EF为费米能级。
图2－5 费米－狄拉克函数曲线
f E
1 E EF 1 exp kT
（1）当T＝0（K）时，若E<EF，则f(E)=1，这说明温度在绝对零度 时，凡是能量比EF小的能级被电子占据的概率为1。也就是说，电子 全部占据费米能级EF 以下的能级，而EF 以上的能级是空的，不被电 子占据。 （2）当T>0（K）时，若E＝EF ，f（E）＝0.5，因此通常把电子占 据率为0.5的能级定义为费米能级。它不代表可为电子占据的真实能 级，只是个参考能量。 （3）电子占据高能级的概率还随温度升高而增加。 一个材料系统的任意改变量ΔEF 表示每个电子输入或输出的电功率。 如果V是任意两点间的电势差，则
光电信息物理复习_all
c、方向导数和梯度的关系
ˆ g ra d u = en ∂u ∂l
1.2梯度、散度和旋度
2、散度和高斯定理
a、散度定义：
b、高斯定理：
意义：任一矢量场A的散度的体积分等于该矢量场穿过该体积的闭合 曲面的通量。
1.2梯度、散度和旋度
3、旋度和斯托克斯定理来自a、旋度定义：计算公式：
b、斯托克斯定理：
意义：矢量场旋度的面积分等于该矢量场沿包围该曲面的闭合 路径的线积分。
−
EC − EV k BT
ni = ( N C N V )
1/ 2
e
E Fi =
1 ( EC + EV ) 2
杂质充分电离时的载流子浓度
N型半导体：掺杂浓度为ND n=Nd+p 根据 np=ni2，得 p(Nd+p)=ni2,解得：
p= 1 2 ( − N D + N D + 4ni2 ) 2
故，
r B
v v v c、三重矢量积： A × ( B × C ) 、三重矢量积：
v v v v v 矢积 A × ( B × C ) 与 B, C 共面
v A
r B
r C
矢积大小为： 矢积大小为：
v v v v v v v v v A × ( B × C ) = B( A • C ) − C ( A • B)
p E F = Ei − k B T ln( ) ni
例题[8-1]
型硅， 试计算300K和500K 设N型硅，施主浓度 N d = 1.5 × 10 cm ,试计算 型硅 试计算 和 时电子和空穴的浓度和费米能级的位置。已知温度在300K 时电子和空穴的浓度和费米能级的位置。已知温度在 时本征载流子浓度分别为： 和500K时本征载流子浓度分别为： 时本征载流子浓度分别为
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。
02光电转换的物理基础——光电效应
一,光电效应的定义 二,光电效应的分类 三,光电效应的物理现象
一,光电效应
——物质在光的作用下,不经升温而直接引起物 物质在光的作用下, 物质在光的作用下 质中电子运动状态发生变化, 质中电子运动状态发生变化,因而产生物质的光 电导效应,光生伏特效应和光电子发射等现象. 电导效应,光生伏特效应和光电子发射等现象. 在理解上述定义时,必须掌握以下三个要点: 在理解上述定义时,必须掌握以下三个要点: 原因:是辐射,而不是升温; 原因:是辐射,而不是升温; 现象:电子运动状态发生变化; 现象:电子运动状态发生变化; 结果:电导率变化,光生伏特,光电子发射. 结果:电导率变化 光生伏特,光电子发射. 率变化, 简单记为:辐射→电子运动状态发生变化→ 简单记为:辐射→电子运动状态发生变化→ 光电导效应,光生伏特效应,光电子发射. 光电导效应,光生伏特效应,光电子发射.
(二)光生伏特效应 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半 导体中光生电子和空穴, 导体中光生电子和空穴,并在空间分开而产生 电位差的现象.即将光能转化成电能. 电位差的现象.即将光能转化成电能. 不均匀半导体:由于半导体对光的吸收,内建 不均匀半导体:由于半导体对光的吸收, 电场使载流子定向运动而产生电位差. 电场使载流子定向运动而产生电位差 . ( 像 PN结,异质结,肖特基结) 结 异质结,肖特基结) 均匀半导体:无内建电场,半导体对光的吸收 均匀半导体:无内建电场, 由于载流子的扩散速度不同, 后,由于载流子的扩散速度不同,导致电荷分 开,产生的光生电势.如丹倍效应和光磁电效 产生的光生电势. 如丹倍效应和光磁电效 应.
σ = e[( n 0 + n ) n + ( p 0 + p ) p ]
= e ( n0 n + p 0 p ) + e ( n n + p p ) = σ 0 + σ
光电转换原理
光电转换原理光电转换原理是指光能转换为电能的过程，这是一种重要的能量转换方式，广泛应用于太阳能电池、光电传感器、光通信等领域。
光电转换原理的研究和应用，对于推动能源领域的发展，提高能源利用效率，具有重要的意义。
光电转换原理的基本过程是光能的吸收和电子的运动。
当光线照射到半导体材料表面时，光子的能量被半导体吸收，激发出电子-空穴对。
这些电子-空穴对在半导体中运动，形成电荷，从而产生电流。
这就是光能转换为电能的基本过程。
在太阳能电池中，光电转换原理被广泛应用。
太阳能电池是利用半导体材料吸收光能产生电能的装置。
当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子被半导体吸收，激发出电子-空穴对，从而产生电流。
这种电流可以被储存起来，用于供电或其他用途。
除了太阳能电池，光电转换原理还被应用于光电传感器领域。
光电传感器是利用光电转换原理来检测光线强度、光线位置等信息的装置。
当光线照射到光电传感器表面时，光能被转换为电能，从而产生电流或电压信号。
通过检测这些信号的变化，可以实现对光线的测量和控制。
在光通信领域，光电转换原理也发挥着重要作用。
光通信是利用光信号进行信息传输的技术，其中光电转换是实现光信号与电信号之间互相转换的关键。
通过光电转换器件，可以将光信号转换为电信号，然后再进行处理和传输，实现光通信系统的功能。
总的来说，光电转换原理是一种重要的能量转换方式，广泛应用于能源、传感器、通信等领域。
随着科技的发展，对光电转换原理的研究和应用也在不断深化，为人类社会的可持续发展和进步提供了重要支持。
希望通过不断地研究和创新，能够进一步提高光电转换效率，推动光电技术的发展，为人类社会的繁荣和进步做出更大的贡献。
光电信息转换器件PPT教学课件
ERL
(RL
RG min RG max RG min)( RL RG max)
要求两个工作状态的电压差最大，则要求：
d(Vo1 Vo2 dRL
)
0
RL
RG
(RG max RG min )1 2
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补充：证明：E≤（4P max RL）1/2
证明：光敏电阻上的电压为U＝E－I RL 图中画出了Pmax曲线、以及分别对应于不同负载电阻的三条负载 线EQ1、EQ2、EQ3
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有时称为IФ=0 6． 灵敏度—— 对于复色光: S(积分灵敏度) =ΔI /ΔФ
对于单色光: S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）
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§3.1.1 光电倍增管
一、结构与原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、
电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如 图3.1.1-1所示。
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
疲劳指在工作过 程中灵敏度降低。
特点：
1-20分钟； 2-40分钟 阳极电流对灵敏度的影响示意图
• 随阳极电流的增大，灵敏度下降
• 随使用时间的增长，灵敏度下降
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7．暗电流
暗 电 流 Iφ=0 的 来 源 ： 光 电阴极和光电倍增极的热电 子发射。温度T越高，热电 子发射越多，则暗电流越大 。如果需要较小的暗电流， 可通过冷却光电倍增管来减 小暗电流。暗电流的另一组 成部分是光电倍增管的漏电 流。
E≤（4P max RL）1/2
第28页/共90页
当入射光通量变化时，会引起I和U的同时变化 ， 使系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信 息转换精度，可采取以下办法：
《光电信息的物理基础》“课程思政”教学设计案例
一、案例简介《光电信息的物理基础》是光电工程方向的基础性课程，和现代光学联系紧密，涵盖导波光学理论、量子物理、固体物理以及半导体物理等多门课程中基础性内容，偏重基础知识架构的建立，理论和实践的关联是学生学习积极性以及创新思维培养的关键。
本课程的“课程思政”教学以课程为基础，着眼于现代光学技术和现代科技进步的关联，发掘学科的人文元素，尊重历史，结合现实，强调世界科技面临的竞争，既不妄自菲薄，也不狂妄自大，以科学严谨的思维，帮助学生将自身专业发展和国家科技进步需求自觉融合。
作为课程开篇的重要内容，《光的认知和科技挑战》这个案例，从光学认知的感性认知和科学认知的历史进程，探讨我国从感性认知阶段的领先到科学认知阶段的相对滞后演化的进程，突出科学认知中导波光学理论、量子物理、固体物理以及半导体物理的内容，建立课程的整体框架。
进而以现代光学的进展和其在多个领域的广泛应用，并以光刻技术中突破衍射极限的spp技术为例，介绍现阶段我国应对科技挑战与课程内容的关联，试图建立学生的民族自信并激发学生积极投身我国科技进步的热情。
二、教学设计（一）教学内容《光电信息的物理基础》课程框架及现代光学的应用前景简介。
（二）教学设计教学对象：光电信息科学工程三年级本科生，完成了普通物理、电磁场与电磁波等课程的学习。
（1）引入：以手机中的光学技术引入课程与现代科技及产品的关联，指出光学是21 世纪科学与工程交叉的关键学科，强调以光为基础的工业应用改变了社会，以光为基础的技术越来越多的为全球挑战提供解决方案，包括太阳能利用，特别是能源、教育、农业和公共卫生等领域。
引入过程要有意识将光学技术进行分割切块，将隐含几何光学、物理光学、信息和现代光学理论的光学技术分块集中，为后续光学认知的内容埋下伏笔。
（2）勾连和巩固前修知识：在引入内容的基础上，提出光的认知问题。
以17世纪为分野，光的认知分为感性认知与科学认知的两大阶段。
以中国古籍记载，如《墨经》（光的直线传播）、《潜夫论》（光源）、《梦溪笔谈》（成像焦点）和苏轼关于海市蜃楼（光的折射）的诗句等，归纳出中国古人在直观体验的感性认知上是很有创造力的，突出中华古人具备科学探索的强大基因。
光电转换原理及电光转换原理
二、1．光电转换原理光电转换是靠摄像管来完成的，其结构如图1-4所示：图1-4光电导摄像管⑴组成①电子枪灯丝用来加热阴极阴极发射电子栅极控制电子流的大小（第一阳极）加速极（A1），加有300V电压（第二阳极）聚焦极（A2）加有0-300V的电压网电极与A2连在一起，在靶前形成均匀减速电场，从而使电子束在靶面能均匀垂直上靶。
②xx靶光敏靶是由几层不同的半导体材料构成的，其厚度只有10-20µm。
朝向景物的一侧是信号板也叫信号电极，它是喷涂在玻璃上的一层透明金属导电层，在信号板的另一侧，则蒸镀了一层具有内光电效应的光敏半导体材料。
该材料在光的照射下电导率增加（即电阻减少），被摄景物各部分亮度不同，靶面上各部分的电导率相应变化，与较亮像素对应的靶单元电阻较小，而且各靶单元相互绝缘。
于是图像上的不同亮度就变成了靶面上各单元的不同电导率（即电阻）。
⑵工作过程当摄像管加上正常的工作电压时，阴极便向外发射电子，并在加速极和聚焦电场的作用下，形成很细的一束电子流射向靶面，如图1-5所示。
当电子束射向靶面某点时，便把该点对应的等效电阻R接入信号检，并与负载电阻RL、电源E 构成一个回路。
如下图，于是回路便有电流产生，即I=E/（RL +R1））当对应的像素发生变化时，R 便发生变化，于是I 也发生变化。
I 流过负载RL 时，在RL 两端形成变化的电压VRL，由于这个电压反应了对应像素亮度随时间的变化，因而便为图像信号。
当在偏转磁场的作用下，电子束按照从左到右，从上到下的规律扫描靶面上各像素点时，便把按平面分布的各个像素的亮度依次转换成按时间顺序传送的电信号，实现了图像的分解与光电转换。
图1-5光电转换原理示意图⑶图像信号的极性①正极性。
被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越高，称正极性。
②负极性。
被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越低，称负极性。
2．电光转换原理电光转换是靠显像管来完成的。
其结构如下图1-6所示。
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EC和EF之间的多数载流子为电子，在简并的P型半导体 中，费米能级位于EV下的价带中 ，因为在简并半导体 中杂质浓度比较大，以致它们相互之间产生影响，并 不是所有的杂质都发生电离，如载流子浓度甚至能够 达到典型值大约为～1020/cm3 的饱和度。
简并P型半导体
简并N型半导体，大量施主在导带上形成能带。
Eg 2 np N C N V exp ni kT
n=p=ni，ni为本征浓度
本征半导体与杂质半导体
结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质 对半导体导电性能影响很大。 N型半导体 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如砷（As） (图(a)所示)，在晶格中某个硅原子被砷原子所替代，五价 原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余 一个电子，这样，半导体中的电子浓度比空穴浓度大得多 ，称之N型半导体。
E CB
这样nEdE＝gCB(E)f(E)dE是在能量E→E＋dE范围内的
电子数。从导带底（Ec）到导带顶部（Ec＋χ）积分
就给出导带中的电子浓度n，也就是
E C n EC
g
CB
f
E dE
当(EC－EF)>>kT，则f(E)=~exp[-(E-EF)/kT],费米－狄拉克
统计由玻尔茲曼统计代替，这样的半导体是非简併的，
f E 1 E EF 1 exp kT
k是玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K；T为绝对温度； EF为费米能级。
f E
1 E EF 1 exp kT
费米－狄拉克函数曲线
（1）当T＝0（K）时，若E<EF，则f(E)=1，这说明温度
外加电场时的能带
• 右图与电压V有关的N型半 导体的能带图，整个能带 图因为电子具有静电势能 而倾斜。 • 其费米能级EF比本征半导 体的费米（EFi）高，更 接近Ec而不是Ev。外加电 压沿着半导体产生均匀的 压降以致半导体中的电子 具有强迫的静电势能，如 图所示，该静电势能向正 极方向减小，因此，当电 子从A向B漂移时，整个能 带结构（导带和价带）均 发生倾斜。其势能因为电 子到达正极而减少。
带之间的能量范围是不允许电子能量占据的。 价带表示晶体中的电子波函数对应于原子之间的键， 占据这些波函数的电子叫价电子 ，在热力学零度时，
所有键都被价电子占据（没有键断裂），所以价带中
所有能级都被这些电子正常填充。
导带表示晶体中的波函数比价带中的电子波函数有更高 的能量，正常情况下在绝对零度时是空的。导带的宽度 叫做电子亲合势χ。 由于导带中存在着大量的空能级，所以能量位于导带中
半导体晶体中的电子能量与金属中的电子能量有显著的 不同。如图(a)所示的硅原子中，内层电子的能级都是被
电子填满的。当原子组成晶体后，与这些内层能级对应
的能带也是被电子所填满的。
能量最高的是价电子填满的能带，称为价带(valence band)。 价带以上的能带基本上是空的，空带之上最低的能带称
为导带(conduction band)。价带与导带之间的区域称为
（3）电子占据高能级的表示每个电子输入或 输出的电功率。如果V是任意两点间的电势差，则
E
F
eV
对于一个处在黑暗中、平衡状态下和没有加电压或没有 电动势产生的情况下的半导体系统而言，ΔEF＝0且EF在 这个系统中必须是均匀的。若费米能级处于带隙中，发 现一个处于能量E状态的空穴（或失去一个能量处于E状
半导体统计学
应用半导体导带中的电子和价带中的空穴的概念可以
描述半导体许多重要的特性。导带中的自由电子和价
带中的自由空穴统称为载流子。半导体的光电转换性 质与材料的载流子浓度（单位体积内的载流子数）密 切相关。热平衡时，载流子为某一定值，当温度改变 后，就破坏原来的平衡状态而建立起新的平衡态，即
达到另一稳定值。 热平衡时半导体载流子浓度与两个参数有关：
当导带中的电子在运动过程中遇到价带中的空穴时，它就要占据 这个空的低能电子态，电子就从导带落入到价带去填充这个空穴， 这个过程就做复合，它导致导带中的电子和价带中的空穴湮灭。 在某些半导体中（如GaAs、InP等），电子从导带能量下降到价带 能量，多余的能量就作为光子发出来；而在另外某些半导体中 （如Si、Ge），这多余的能量就转化为晶格的振动（热）而失去。 在稳定状态下，电子－空穴对的热产生速率被复合速率所平衡， 称为热平衡状态，这时导带中的电子浓度n和空穴浓度p保持恒定， n和p两者都取决于温度。
As原子捐献一个电子到导带——施主杂质施主 束缚电子的能量状态称为施主能级Ed，Ed与EC之 间的能量差称为施主能级。
Si中掺As
Nd是晶体中施主原子浓度，并假设Nd>>ni，即n=Nd， 导带电子与价带空穴复合以维持np=ni2，所以空穴浓 度p=ni2/Nd。 因为电子和空穴两者都对电荷输运作出贡献，所以 半导体的电导率σ既取决于电子也取决于空穴，如果 μe和μh分别是电子和空穴的漂移率，则
在绝对零度时，凡是能量比EF小的能级被电子占据的概 率为1。也就是说，电子全部占据费米能级EF 以下的能 级，而EF 以上的能级是空的，不被电子占据。 （2）当T>0（K）时，若E＝EF ，f（E）＝0.5，因此通常
把电子占据率为0.5的能级定义为费米能级。它不代表可为
电子占据的真实能级，只是个参考能量。
态的电子）的概率时1－f（E）。
热平衡载流子浓度
由于费米能级的电子占据概率为1/2，所以可能存在没有 ，定义为单位体积中单位能量的实际电子数nE(E)，等于
被电子占据的能级。重要的是导带中能级为E的电子浓度 在E处导带中能级密度gCB(E)和可被电子占据的概率的
乘积：
n (E) g E f E
N型半导体与P型半导体的比较
半导体 所掺杂质
多数载流子 少数载流子 （多子） （少子） 电子 空穴
特性
N型
施主杂质
电子浓度nn≥空穴浓度pn
P型
受主杂质
空穴
电子
电子浓度np≤空穴浓度pp
半导体能带图
本征半导体
N型半导体
P型半导体
简并与非简并
简并与非简并半导体
非简倂半导体中，导带中能级（状态）数远大于电子数，两电子 同时占据同一状态几乎是不可能的，可以忽略泡利不相容原理， 用玻尔茲曼统计来描述电子行为就可以了。玻尔兹曼表达式中， 只有当n<<Nc时n值才是有效的。象n<<Nc和p<<Nv这样的半导体 就叫做非简并半导体。 当用过多的施主杂质掺入半导体时，n大到可以和Nc相比，即电阻 率近似和绝对温度成正比，将n>Nc或p>Nv的半导体叫简并半导体。 在简并半导体中，由于重掺杂，载流子的浓度很大。例如，随着 N型半导体中的施主浓度增加，施主原子互相之间变得越来越紧 密，多余价电子的轨道互相交叠而形成窄的能带，成为导带中的 部分能带。来自施主的价电子从Ec开始填充能带，就像金属中价 电子填充交叠能带的情况，因此，费米能级位于导带中。
禁带(forbidden band)，也叫做带隙(bandgap-Eg)，如图 (b)所示。
半导体硅的的能带结构图
硅原子以及它们的价电子之间的相互作用导致硅晶体中
电子的能量既可以落入价带也可以落入导带这两个截然
不同的区域，而不允许电子的能量落入带隙中，这些允
许被电子能量占据的能带称为允带（allowed band），允
en e ep h
对于n型半导体，σ为
eN d
e e
n N
2 i d
h
eN d
e
P型半导体
半导体中空穴的浓度就大于电子的浓度，称之为P型半导体。
受主能级Ea也位于禁带中，Ea与EV之间的能量差称为受 主电离能。 P型半导体由受主控制材料导电性。
第二章：光电信息转换的物理基础
能带理论基础 非平衡态下的载流子 P-N结 半导体异质结和肖特基势垒 光电效应
引言
固体受光照射时引起光吸收，从而改变电子的运动状态，
即产生光电效应；反之，在电场作用下，固体中的电子
在能级间跃迁引起光辐射，即产生发光效应。利用固体 的这些光电性质制成的器件就是固体光电器件。
它意味着导带中的电子数远低于导带中的状态数。
对于非简併的半导体
EC E F n N C exp kT
N
C
2 2
* 2 mekT / h
3/ 2
是取决于温度的常 数，称为导带有效 能级密度。
将价带中的态密度gVB(E)与空穴的占据概率[1-f(E)]相乘，
本征半导体中，n＝p，其费米能级EFi 处于EV 之上、带隙之中
E
Fi
1 Ev 2
E
g
1 kT ln 2
N N
C v
NC和NV相近，且两者都同时出现 在对数项中，所以EFi非常近似 地位于带隙中间
在半导体的n和p之间存在一个有用的关系式 －质量作用定律。n和p的乘积为
(1)能带中能级的分布（态密度）； (2)每一能级可能被电子占据的概率(费米－狄拉克函数)。
能级密度
能级密度g(E)表示在导带和价带内晶体的单位能量、
单位体积的电子状态（电子波函数）的数目。
由固体理论知，在导带内的能级密度(可能的状态信息)为
g E 4
h
3
* 2m e
EEc
Si中掺B
对于硅晶体中掺入三价杂质成为p型半导体材料而言， 由于带负电的硼离子不运动，对电导没有贡献，空穴 多于电子。
如果晶体中的受主杂质浓度Na比本征浓度ni大得多， 则在室温下所有受主都被离子化，这样p＝Na，则电 子浓度由质量作用定律n＝ni2 /Na 决定，它远小于p， 因此电导率可以简单的表示为σ＝eNaμh。