光电子材料与器件-3 探测器1
光电子材料和器件全
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光耦合器
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光调制器
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波分复用器
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光电子材料和器件的分类
——光电子材料的分类 ——光电子器件的分类
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光电子材料的分类
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1、固体激光材料 2、光学功能材料 3、光纤材料 4、光储存材料 5、光显示材料
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平板显示：相对于CRTБайду номын сангаас言的,一般指LOGO
厚度小于屏幕对角线1/4的
显示器.
优点：
1、器件的核心层厚度很薄,厚度可以 小于1毫米 2、没有视角问题,可在很大的角度内, 显示画面不失真 3、低温特性好 4、器件为全固态结构,无真空、液体 物质,抗震性好
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光伏发电：根据光生伏打效应原理LOG,O利
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光电子器件的分类
1、光源 2、调制器 3、光波导器件 4、光电探测器件 5、光成像器件 6、显示器件
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光电子 的
应用
及
发展
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光电子的应用
1、景观照明 2、激光打标,焊接,开孔 3、高帧频CMOS相机爆炸、姿态 4、光纤陀螺 5、星图定位 6、红外热成像云爆、温压 7、光幕靶、天幕靶弹丸定位、测速
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光波导器件 光纤
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调制器：波导调制器 、半导体调制器LOGO
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光探测器件辐射与测量、光电检测：光电LO二GO 极管
、雪崩光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电 池、CCD器件.
光电子材料与器件考试试题
光电子材料与器件考试试题
一、选择题：
1. 下列哪种材料不属于光电子材料？
A. 硅
B. 红宝石
C. 铜
D. 石英玻璃
2. 以下哪种器件不属于光电子器件？
A. 光电二极管
B. 晶体管
C. 激光器
D. 光纤
3. 光电二极管是将光电效应和何种效应结合成的器件？
A. 霍尔效应
B. 热电效应
C. 压电效应
D. 光电效应
4. 下列哪种光电子材料是半导体？
A. 铬
B. 镓砷化镓
C. 银
D. 铝
5. 光纤是由哪种材料制成的？
A. 红宝石
B. 石英玻璃
C. 铜
D. 铁
二、填空题：
6. 光电子器件有什么特点？__________
7. 光电效应是指材料受到光照后产生__________的现象。
8. 透明度较好的材料是做__________的好材料。
9. 激光器是一种能产生__________ 的器件。
10. 在光电子器件中，常用的探测器件有__________和__________。
三、简答题：
11. 请简要解释光电效应的原理，并说明在光电子器件中的应用。
12. 什么是激光器？请说明其结构和工作原理。
13. 光电二极管的工作原理是什么？它在哪些领域有广泛的应用？
四、计算题：
14. 某光电子器件的能带宽度为1.5 eV，若输入的光子能量为2.5 eV，求该光子被吸收后产生的电子的动能。
15. 如果一个光电子器件的反射率为30%，则透射率是多少？
以上为光电子材料与器件考试试题，祝您好运！。
光电子材料与器件研究
光电子材料与器件研究光电子学是一门研究光电子材料和器件的学科，它涉及到光、电、磁、声等多种形态的能量交换和转换，是现代信息技术和能源技术发展的重要基石。
光电子材料和器件的研究一直是人们关注的焦点，因为它们对于促进社会发展和改善人类生活起着重要作用。
一、光电子材料1.半导体材料目前，光电子器件中最常用的材料是半导体材料，它具有很高的电子迁移率和较小的禁带宽度，可以实现电子与光子之间的高效转换。
在半导体材料中，硅材料最为常用，但是它的光电转换效率并不是特别高，因此人们正在寻找更加优越的半导体材料，例如III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料等，它们具有较高的光电转换效率、高速和可靠性。
2.光学材料光学材料是指能够控制和改变光信号传输、转换、形态变化的材料，如光纤、光晶体、光学盘等。
光学材料的研究主要包括光学特性的探究和材料加工工艺的研发，以及应用领域的探索，如光通信、光存储、激光等。
3.导电材料导电材料是指具有良好的电导率和光透明性的材料，如氧化锌、导电膜等。
在透明导电材料的研究中，由于对于电子迁移率和光学性质的严格要求，其研究难度较大，但是其应用场景非常广泛，例如透明电子器件、太阳能电池等。
二、光电子器件1.太阳能电池太阳能电池是将光能转化为电能的一种器件，它是利用光生电效应将太阳辐射能转化为电能。
太阳能电池的核心是太阳能电池芯片，其主要由n型半导体和p型半导体构成，并在其表面形成pn结。
随着太阳能电池技术的不断发展，其效率不断提高，已广泛应用于民用领域。
2.激光器激光器是一种将电能转化为光能的器件，其主要应用于通讯、医学、工业等领域。
激光器是由激光介质、激发源和反射镜等组成，其特点是单色性强、光束聚焦度高、功率密度大、能量稳定性好。
3.光通信器件光通信器件是利用光学原理实现光信号传输的器件，其主要包括光纤、光放大器、光开关等。
随着信息时代的到来，光通信器件应用场景越来越广泛，例如超高速光纤通信、光无线通信、数据中心互联等。
第6章 光探测材料及器件
二、光电效应 1、定义 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电 子运动状态发生变化；因此，把由光照而引起物体电学 特性的改变统称为光电效应。
理解光电效应的三个要点： 1）原因：是辐射，而不是升温； 2）现象：电子运动状态发生变化； 3）结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。
光电效应的物理机制： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子 的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激 发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与 导电，因而产生了光电效应。 光电效应中光与物质相互作用的本质：光子与电子 的直接作用(电子吸收光子)
外光电效应
充气光电管 光电倍增管 象增强管 光导管或光敏电阻
内光电效应
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
光电磁探测器 光子牵引探测器
光电发射探测器、光电导探测器、光生伏特探测器
1）光电导效应:当光照射到半导体材料时，价带中的 电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使 其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子 和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。常存 在于高电阻率的半导体中。 2 ）光生伏特效应 : 如果在一定条件下受到光照作用 的半导体特定方向上产生电动势 , 这种现象称为光生 伏特效应。
外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照 而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流， 而后者则在物质内部参与导电。
简单记为：光辐射→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。
光电效应的分类
效 应 1.光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 2.光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 通道电子倍增 1. 光电导(本征和非本征) 2. 光生伏特 PN结和PIN结(零偏) PN结和PIN结(反偏) 雪崩 肖特基势垒 异质结 3.光电磁 光子牵引 相应的探测器 光电管
光电探测器
2、光电导(PC)探测器
其工作原理基于内光电效应。 光电导效应？
半导体吸收能量足够大的光子后，会把其 中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚 态激活到能导电的自由态，从而使半导体 电导率增加。
(1)特点
光电导探测器的结构一般为金属一半导体 一金属（测
一、 光电探测器的定义 及工作原理
光电探测器接收光信号并进行光电转换， 是半导体电子学的重要器件，是光电系统中 的重要组成部分，被称为这类仪器的“心 脏”。
光电探测器是利用入射的光子流与探测 材料中的电子之间直接互相作用，从而改变 电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。
二、光电探测器的分类
PE探测器
2001年，美国军方实验室的Liang等人利用 MOCVD方法以蓝宝石为衬底生长ZnO薄膜，制 备出MSM结构肖特基型紫外探测器。
2004年，浙江大学叶志镇等利用磁控溅射生 长的ZnO薄膜，采用Au电极形成肖特基接触， Al电极形成欧姆接触，在Si(100)衬底上制 备出肖特基型ZnO紫外探测器，Si3N4为绝缘 隔离层，器件性能较好。
光电探测器
PC探测器
PV探测器
1、光电子（PE）发射探测器
此探测器的工作原理是基于外光电效应。
当辐射照射在某些金属、金属氧
外
化物或半导体材料表面时，若光
光 电
子能量hv足够大，则足以使材料
效
内一些电子完全脱离材料从表面
应
逸出。
与外光电相对应的则为内光电效应，两 者的不同点在与内光电效应的入射光子并不 直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而 只是将光电材料内部电子从低能态激发到高 能态，于是在低能态留下一个空位一空穴对， 而在高能态上产生一自由移动的电子，形成 光生电子一空穴对。通过检测这一性能的变 化，来探测光信号的变化。本节主要讨论的 利用内光电效应的光电探测器的制备及其性 能特点。
光电子器件结型光电探测器课件ppt
在光通信领域，结型光电探测器可以用于接收和检测光信号，实现高速、高效的数据传输。
应用领域
02
结构与特性
03
结型光电探测器的电极结构
结型光电探测器的电极结构通常采用金属薄膜或金属网格制成，以提高光的吸收效率和电子的收集效率。
能带工程的原理和方法
通过改变材料的能带结构，可以实现对光电子器件性能的优化。
常用的能带工程方法
包括离子注入、薄膜沉积、外延生长等。
01
02
03
量子效率的定义
量子效率是描述光电子器件将光子转化为电子的能力的参数。
量子效率的影响因素
主要包括入射光的波长、温度、晶体结构、界面态等。
提高量子效率的方法
包括优化材料结构、采用多层膜结构、使用光学共振等。
结型光电探测器在光电子器件中具有重要地位
技术瓶颈
结型光电探测器的性能受到多种因素的影响
如暗电流、灵敏度、响应速度等
这些问题限制了结型光电探测器的应用和发展
发展趋势
通过优化材料、结构、工艺等方面来提高结型光电探测器的性能
同时，与其他光电子器件的集成和多功能化也是未来发展的重要趋势
结型光电探测器的发展趋势是向着高灵敏度、高响应速度、高稳定性等方向发展
采用先进的封装和测试技术，保证器件的稳定性和可靠性，同时实现与其他电路模块的集成和兼容。
制程挑战
制程稳定性
优化制程工艺参数和流程，提高制程的稳定性和重复性，降低生产成本。
制程兼容性
综合考虑不同材料、不同工艺和不同封装方式之间的兼容性，以实现器件性能的最优和可靠性的提高。
制程污染控制
第六章光电子材料与器件
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
光电子材料测试仪器的分类与应用
光电子材料测试仪器的分类与应用光电子材料测试仪器是一类在光电子材料研究和应用领域中广泛使用的工具。
其作用是测量和分析光电子材料的光学性质、电学性质以及其他相关物理特性。
这些仪器通过使用光源、探测器和相关的数据采集和处理设备，可以帮助研究人员和工程师深入了解光电子材料，并为新材料的设计和应用提供有价值的信息。
光电子材料测试仪器按照测量原理和功能可以分为多个类别。
以下将介绍几种常见的光电子材料测试仪器及其应用。
1. 光谱仪光谱仪是光学测试中最常用的仪器之一，可以用于测量光电子材料在不同波长下的吸收、反射、透射和发射等光学性质。
根据波长范围的不同，光谱仪可以分为紫外可见光谱仪、红外光谱仪和拉曼光谱仪等。
光谱仪广泛应用于光学材料的研究、半导体元件的设计和制备以及光谱诊断等领域。
2. 光电子显微镜光电子显微镜是一种结合了光学显微镜和电子显微镜的仪器，能够提供高分辨率的成像和表征能力。
它可以通过表面和断口形貌的观察，帮助分析光电子材料的形貌特征以及缺陷结构。
此外，光电子显微镜还可以进行成分分析、物理性能测试和电子态密度测量等。
3. 光电导测试仪光电导测试仪是一种用于测量材料电导率的仪器。
它通过在材料上施加光电场，并测量材料的光电流来评估材料的导电性能。
光电导测试仪广泛应用于光电导体材料和光电子器件的研究和制备中，包括太阳能电池、光电导液晶、光电转换器件等。
4. 光热测试仪光热测试仪是一种用于测量光热效应的仪器，包括材料的吸收热量、热导率、热传导系数、热膨胀系数等热学性质。
光热测试仪可以帮助研究人员研究光热材料的能量转换性能以及光热效应的机理，广泛应用于光电子材料的制备和性能评估。
5. 光电流测试仪光电流测试仪是一种用于测量材料在光照条件下电流特性的仪器。
它可以测试材料的光电流响应、暗电流和暗电导等，以评估其光电性能。
光电流测试仪广泛应用于光电二极管、光电管、光电导单元等光电子器件的研究和制备过程中。
总结起来，光电子材料测试仪器在光学、电学和物理特性上的多方位测试功能，为光电子材料的研究、设计和应用提供了有力的支持。
《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。
光电子器件 第1章_光电导探测
th
hc
Ei
1.24 (m)
Ei (eV )
光电导探测器
1.2 光电导探测器原理
❖ 内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现 光生电子空--穴，由此引起电导率变化或电 流电压现象，称之为内光电效应，是相对于 外光电效应而言的。
❖ 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收 光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率 使电导率增加，这个现象称为光电导效应。
的带宽等，测量 值的D(T, f,f)如(500, 900,
5) 。
为了描述单色情况，还引入光谱探测率 D* (, f , f )
它表示器件对波长为 的辐射的探测率.
D 目前基本上用D
取代了D，若无特殊说明，本书所称的
探测率均指
而言。
1.1.3 光吸收系数
❖ 光入射到材料，会发生吸收、色散、反射、 折射等现象。对半导体而言，材料吸收光的 原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格 原子和杂质原子的相互作用。
I I0e x
如果样品厚度为d，则样品吸收的光强度ΔI为：
I I0 (1 e d )
可见吸收系数大，光吸收主 要发生在材料的表层。吸收 系数小，光入射得深。
❖ 当36厚%，度此d=时1/的α时厚，度光称强为I=吸I收0/e厚, 约度为，入有射64光%强的的光在 1/α厚度内被吸收，即在吸收厚度内吸收了大部分 的光，如图1-5。
场强度成正比。
Vd =μE
μ称为电子迁移率，表示单位电场下电子的平均漂
移速度，单位m2/V·s， μ值与材料特性有关，
❖ 电导率和迁移率间的关系
J neE E
ne
3．半导体的电导率
E0
E
电子漂移方向
光电子技术的原理和器件
光电子技术的原理和器件随着现代科技的高速发展，光电子技术已经逐渐成为了现代科技领域中不可或缺的一部分。
本文通过讲述光电子技术的原理和器件，介绍了这一技术在不同领域中的应用。
一、光电子技术的原理光电子技术是指利用光电效应、光敏效应等物理效应将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的技术。
其中光电效应是指光照射到金属或其他半导体材料表面时，如果光的能量大于金属或半导体的电子绑定能，就会使得材料中的电子通过撞击其他原子或晶格中的缺陷跃迁出来，产生自由电子，形成电子流。
而光敏效应则是指在光作用下，通过一些特殊材料（如硒、硫等）的光敏晶体，原子和离子中的电子和孔隙可以被富余的电荷或光子捕获，形成电荷对。
通过光电转换器件的结构设计和工艺实现，使得这些光电效应可以被转化成不同类型的电信号或光信号输出。
二、光电子技术的器件1. 光电二极管光电二极管是最常用的光电转换器件之一，它是将光信息转换成电信号的最常用的器件。
其结构与普通的二极管类似，但是在p-n结区域外加反向电压时，在该区域内的少数载流子本身将被聚集，并减少通过该结的电流。
当光子照射到P/ N结上时，载流子对受到影响，被促进到交界面，形成电流，从而光信号被转换成电信号。
2. 光电探测器光电探测器是一种高灵敏度的光电转换器件，它的作用是将光信号转换成电信号。
它的主要结构是基于PN结的光敏元件，与光电二极管类似，但是在光敏元件中会有一定比例的正向偏压，这样激光照射下，携带光能的电子会被聚集在pn结上，缩短携带信号的寿命，提高灵敏度和响应速度。
同时，在工艺上还会使用一些高端技术，如图像集成电路、书写光子技术等，用来使得光电探测器具有较大的接收范围、高分辨率等优点。
3. 光纤光纤是一种基于光导原理的光电转换元器件，能够将光信号从一个地方传送到另一个地方。
它的结构主要包括光心区域和包层区域两部分。
光心区域通常是高纯度的石英玻璃材料，包层区域则是掺杂材料，这样就能够形成高折射率的光心区域和低折射率的包层区域。
光电子材料与器件研究进展
光电子材料与器件研究进展（一）光电子材料研究进展光电子材料是一种光电性能优异的材料，其具有广泛的应用前景。
近年来，国内外学术界在光电子材料领域的研究取得了一系列进展。
以下从太阳能电池、光通信，以及光催化三个方面进行介绍。
1.太阳能电池太阳能电池是将阳光转化为电能的一种装置，其关键是太阳能电池材料。
近年来，太阳能电池领域出现了一系列新型材料，如钙钛矿太阳能电池，有机太阳能电池，以及杂化太阳能电池等。
其中，钙钛矿太阳能电池电转化效率高、制备方法简单等优点得到了广泛关注。
有机太阳能电池则具有高度可塑性和低成本等特点，适用于大面积生产。
2.光通信光通信是利用光来传输信息的一种通讯方式，其关键是光通信器件。
目前，传统的光通信器件主要包括光纤、激光器、光探测器等。
近年来，研究者们也在新材料、新结构、新器件等方面进行了探索，推出了一些新型光通信器件。
如纳米线激光器材料、新型有机半导体材料等。
这些新型器件具有体积小、功耗低等优点。
3.光催化光催化是利用光能将反应物进行化学反应的一种方法，其关键是光催化材料。
近年来，国内外学术界对光催化材料的研究持续推进，已经在环境修复、水处理、能源等领域取得了不少成果。
如氧化锌、二氧化钛、碳量子点、石墨烯光催化材料等。
这些光催化材料具有催化效率高、制备方法简单等优点。
（二）光电子器件研究进展光电子器件是将光信号转化为电信号或反之的一种器件，其在通讯、光学成像、生物医学等领域中具有广泛的应用。
以下从光纤光学传感、光储存器件、生物传感器件三个方面进行介绍。
1.光纤光学传感光纤光学传感器件是利用光纤光学特性进行光学传感的器件，主要应用于环境监测、生物医学、地震探测等领域。
近年来，随着光纤传感技术的不断发展，一些新型光纤光学传感器件也被提出。
如微纳光纤、腔封功率传感器等。
这些传感器件具有灵敏度高、响应时间快等优点。
2.光储存器件光储存器件是将光信号转化为电信号或反之的一种器件，主要应用于光存储、数据传输、信息处理等领域。
《光电探测器》PPT课件
6、光敏二极管的一般特性
a、量子效率 为每个入射光子所激发的电子空穴对数。
I ph q ( )
式中， I ph是光生电流，()是波长为 （ 对应光子能量为 h）的光子通量。
b、 响应度 R()为光电流对入射光功率之比。
R() I ph I ph q (m) ( A / W ) P ()hv hv 1.24
8 半导体光电探测器
2021/4/24
1
本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
2021/4/24
2
8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
2021/4/24
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
24
8.3光敏二极管
4、光敏二极管的伏安特性
由图可见，在低反压下电流随光电 压变化非常敏感。这是由于反向偏压 增加使耗尽层加宽、结电场增强，它 对于结区光的吸收率及光生裁流子的 收集效率影响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的收集已达极 限，光电流就趋于饱和。这时，光电 流与外加反向偏压几乎无关，而仅取
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
《光电子材料与器件》教学大纲
光电子材料与器件课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201411111课程中文名称：光电子材料与器件课程英文名称：Optoelectronic Materials and Devices课程性质：专业核心课程开课专业：光电信息科学与工程开课学期：5总学时： 32 （其中理论26学时，实验6学时）总学分：2二、课程目标光电子材料与器件是一门实用性强的必修基础课，本课程是为光电科学与工程专业的本科生而开设的。
本课程除了使学生掌握光电器件的基本工作原理之外，还使学生了解各种光电材料及光电器件的应用。
通过学习该课程，使学生在以后的生活和工作中能够学以致用。
培养学生如下的能力和素养：1、具有应用理论知识指导实验环节的能力；能够解决光电材料的制备及性能测试方面的一些基本问题；具备严谨科学素质，能够达到实验目的或完成特定的试验任务。
2、具有良好的逻辑思维能力和较强的开拓创新意识，具有不断学习和适应发展的能力。
三、教学基本要求使学生了解纳米光电材料的种类、基本性质及应用。
让学生重点掌握各种光电器件（激光器、非线性光学器件、光调制器、光探测器等）的基本工作原理、基本组成和应用，掌握染料敏化太阳能电池的基本原理、结构、制备及提高电池性能的方法，了解常用的染料敏化太阳能电池材料。
让学生根据所学知识能够设计出几个简单的光电器件，例如光开关。
通过实验环节让学生掌握一些光电材料的制备及性能测试。
四、教学内容与学时分配1微纳米光电材料与器件（4学时）1.1纳米光电材料1.2纳米光电器件2半导体发光材料及器件（4学时）2.1半导体发光材料2.2半导体发光器件3固体激光材料及典型固体激光器（4学时）3.1固体激光材料3.2固体激光器4非线性光学材料与器件（4学时）4.1非线性光学效应4.2非线性光学材料4.3光参量振荡器及其应用5光调制器（4学时）5.1光调制的基本原理5.2光调制器6光探测材料及器件（2学时）6.1光探测器件的基本特性6.2光敏电阻6.3光电二极管7染料敏化太阳能电池（4学时）7.1染料敏化太阳能电池的基本原理和结构及常用材料7.2染料敏化太阳能电池的制备方法及电池性能的提高方法五、教学方法及手段（含现代化教学手段及研究性教学方法）传统的教学与多媒体教学相结合，并充分利用演示实验和网络的现代技术。
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•
1
1
•
c
2
2
i •
A• f
f
4kT • f
RL
相
对 1/f噪声 噪
声 功
产生-复合噪声
率
譜
热噪声
1kHz
1 2 c
频率
17
工作物理机制； 暗电导； 光电导； 量子效率； 光电导（光电流）增益？ 噪声源？
1.基予物理概念给出用载流子寿命表述的光电导（光电流）增 益，并解释其机理？
2.将处于光照射状态的光电导体形成闭合回路，外电路中是否 会有电流？
Ip
P q
Ip- 光电流 P-光强
h hv-光子能量
# 1） P：入射探测器表面光强-外量子效率 2） P：探测器吸收光强-内量子效率
3
2.响应度-R
R Vp P
V W
Vp-输出电压
3.灵敏度-S
S I p P
A W
Ip-输出电压
# P-某光谱范围内光功率
4.光谱响应率-单色
R
Vp P
nt
f
• n 1
exp
t n
0 t t0
f
•
n
1
exp
t0 n
•
exp
t n
t t0
p p0
t0
t
15
2.双分子复合情况—大注入 n n0
dnt f Bnt 2
dt
f • p0 • 1 R 产 生 率
h
边界条件
P t
p0
•
1
R
0 t t0
pt
1 2
D A f
1 2
W 1
5
二、探测器噪声
1.噪声表述
it
特点：随机，不可预测；
vt
统计平均值为0。
表征：均方值（方均值）表述。
t
i
2 N
1 T
T
it
0
2
i平均 dt
it vt
总噪声：
v
2 N
1 T
T
vt
0
2
v平均 dt
t
i
2 N
i
2 N
1
i
2 N
2
i
2 N
0
q
h
• p0 •V • •
nn pp
1
R
•
•
L
0Hale Waihona Puke expxdx
1
R1
exp
L
入射光子数
吸收光子数
入射光强
吸收效率
光生载流子对数目 入射光强
量子效率
则, 光 电 导 响 应 度 （ 灵 敏 度）
S J p I p q • • V • P0 L • P0 h L
n n p p
q• • E • h
10
四. 光电流灵敏度 J p
h
P0
X截面光强：
px p0 • 1 R• exp x
Lx
光子数及光生载流子产生率：
f x • px
h
x q nn pp q • f • nn pp
q h
•
p0
•
1
R•
exp x •
nn
p
p
11
那么
Ip
G •V
V
L xdx
V W
S
I p P
A W
4
5.等效噪声功率-NEP
Ip(输出信号电流)=
i
2 N
(噪声电流) 时光功率
P NEP I p
i
2 N
Ip
i
2 N
S
W
i
2 N
P
6.归一化探测率-D*
NEP
探测率：
1S
D
NEP
i
2 N
归一化探测率：
W 1
--习惯
D*
i
2 N
S
A f 12
1
NEP
A f
光照时光电导逐渐上升，光照停止后光电导逐渐下降的现象。
# 载流子寿命 —小注入时常数； ---大注入时非常数。
t0
t
14
1.单分子复合情况—小注入
n n0
dnt f nt
dt
n
f • p0 • 1 R 产生率
h
边界条件
P
t
p0
•
1
R
pt
0 t t0 t t0
nt t0 0
3
v
2 N
v
2 N
1
v
2 N
2
v
2 N
3
噪声特性：
与频率相关；
or 与频率无关-白噪声。
6
2.噪声源 1）热噪声--载流子无规则热运动（白噪声）
iT2
4kTf R
vT2 4kTRf
2）散粒噪声--载流子渡越势垒区随机起伏（白噪声）
iS2 2qIf
3）产生--复合噪声：载流子复合随机起伏
i2 gr
#光电导--本征光电导； 杂质光电导(杂质密度比原子密度低光电导可略)。
8
二. 光电导-附加电导率
无光照时电导率—暗电导率：
0 qn00 p00
光生非平衡载流子电导率(附加电导率)：
q nn p p
总电导率：
0 q n nn p pp
9
三. 光电流-附加电流
t t0
p p0
nt t0 0
1
f 2 • tanh t •
B
nt
f • B
f B
1
2
•
tanh
t0
•
f •B •
1
1t• f •B
0 t t0 t t0
t0
t
16
3.噪声特性
噪声源：产生-复合噪声；热噪声；低频(1/f)噪声.
in2
4q • i • M 2
• f
Ch2 半导体光电探测器
§2-1 光电探测器性能参数
§2-2 光敏电阻(光电导)
§2-3 光电池(太阳电池) §2-4 结型光电探测器
光信号转换成电信号
§2-5 CCD摄像器件
基本结构；基本原理；基本电学特性。
光子与电子相互作用的那一个过程？
2
§2-1 光电探测器性能参数
一、基本性能参数 1.量子效率-η
n n p p
12
# 光电导增益：一个光生载流子 对外电路贡献的载流子数。
光生载流子存在寿命； 光生载流子在材料二端电场作用下定向运动； 一端流出，另一端补存，直至载流子复合； 寿命期间向外电路提供的载流子数，即增益。
GL
n
tn
p
tp
n
L
n nV
L2
p
pV
L2
n
V L
13
五. 光电导弛豫
4qIfM 2
4）1/f噪声--低频（< 1kHz）
i
2 f
AI f f
5）光子噪声—光子随机起伏
M 内增益
i
2 p
2qIf
7
§2-2 光敏电阻(光电导探测器)
h
一、器件物理： 半导体材料吸收光子能量— 产生电子－空穴对； 杂质电离产生电子或空穴。 光生载流子使材料电导增大—光电导； 光生载流子定向移动形成电信号—光电流。
d.光生电流与正向电流平衡时， 达稳定状态；
h
设材料光照面为单位面积，
厚度L；偏置电压V。
V
I p R
V 1
1
•V
•
L
Lx
L
光照平衡状态，产生率=复合率：
f
n p
n p
q nn p p q • f • nn p p
故 I p q nn p p •V • L
q • f • nn p p •V • L
18
§2-3 光电池(太阳电池)
一、太阳电池基本结构 hν
n p
金属电极
防反射 层
19
二、光生伏特效应
hν≥Eg
a.扩散区、势垒区、中性区 吸收光子产生电子-空穴对；
b.扩散区、势垒区： 空穴漂移到p区，电子漂移到 n区，形成光生电流与积累；
c.积累的部分空穴和电子分别中 和空间电荷区的正、负电荷， 空间电荷区变窄---pn结正偏；