第五章光电子器件物理基础
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，
光电效应初中物理中光电效应的原理与应用
光电效应初中物理中光电效应的原理与应用光电效应光电效应是物理学中的重要现象，它在今天的光电子学和量子力学领域有着广泛的应用。
本文将介绍光电效应的原理以及一些典型的应用。
一、光电效应的原理光电效应是指当光照射到金属表面时，如果光的能量足够高，光子与金属原子相互作用，光子的能量被传递给金属中的自由电子，导致自由电子脱离金属表面，并且形成电子流的现象。
光电效应的原理可以通过以下几个方面来解释：1. 光子的能量和频率：根据光的粒子性，光子的能量和频率之间有着确定的关系，即能量E与频率ν满足E=hν，其中h为普朗克常量。
当光的频率足够高时，光子的能量足够大，能够克服金属表面对电子的束缚力，从而引发光电效应。
2. 电子的能级结构：金属中的自由电子存在着能级结构，其中最外层的电子具有最高的能量。
当光照射到金属表面时，光子的能量被吸收，并转移给最外层的电子。
当光子的能量大于或等于金属表面的逸出功时，光子能够使电子克服逸出功的束缚力，从而脱离金属表面。
3. 光电流的产生：当自由电子从金属表面脱离后，将形成电子流，即光电流。
光电流的大小与光照强度和光子的能量有关。
当光照强度增大或光子的能量增加时，光电流也随之增加。
二、光电效应的应用1. 光电池：光电池是利用光电效应将光能转化为电能的器件。
光电池分为有机光电池和无机光电池两种类型，广泛用于太阳能电池板、光电传感器等领域。
2. 光电倍增管：光电倍增管基于光电效应的原理，通过连续的光电效应将光信号转化为电信号，然后利用电子倍增的原理放大电信号。
光电倍增管在低光强检测和光子计数等领域有着重要的应用。
3. 光电离谱仪：光电离谱仪利用光电子发射和电子的电荷-质量比之间的关系，测量原子或分子的能量级结构和电离能。
它在原子物理学研究中起着至关重要的作用。
4. 光电开关：光电开关是一种利用光电效应控制电路开关状态的器件。
通过光电效应的触发，可以实现高速的无触点开关，广泛应用于无线通信、光纤传输及控制系统中。
光电子技术基础
光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。
光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。
光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。
通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。
显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。
能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。
生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。
微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。
智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。
绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。
跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。
具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。
热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。
具有高效、节能、长寿命等优点。
气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。
具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。
固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。
半导体物理第五章(教材)
05 半导体的热电性质
热电效应与温差电器件
热电效应
当半导体材料两端存在温度差时，会产生热电势差，即热电效应。热电效应是半导体材料热电转换的基础。
温差电器件
利用半导体材料的热电效应，可以制作出温差电器件，如温差发电器和温差制冷器。这些器件在能源转换和温度 控制等领域有广泛应用。
塞贝克效应与温差电偶
半导体材料与器件的绿色化
发展环保、低能耗的半导体材料和器件，以适应体技术与其他领域（如生物、医学、环境等）的交叉融合，将 产生新的应用方向和产业机遇。
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致冷器件
利用帕尔贴效应，可以制作出致冷器 件，如半导体制冷器。这些器件在电 子设备冷却、局部制冷等领域有广泛 应用。
06 第五章总结与展望
关键知识点回顾
半导体能带结构
包括价带、导带和禁带的概念，以及半导体中电子和空 穴的能量分布。
半导体中的复合与产生
阐述了半导体中电子和空穴的复合过程以及载流子的产 生机制。
03
半导体器件的伏安特性曲线和 参数
02 半导体中的载流子
载流子的类型与特性
载流子类型
半导体中的载流子主要包括电子和空穴两种类 型。
电子特性
电子带负电荷，具有较小的有效质量和较高的 迁移率。
空穴特性
空穴带正电荷，具有较大的有效质量和较低的迁移率。
载流子的浓度与分布
载流子浓度
半导体中载流子的浓度与温度、掺杂 浓度和禁带宽度等因素密切相关。
半导体物理第五章教材
目 录
• 第五章概述 • 半导体中的载流子 • 半导体中的电流 • 半导体的光电性质 • 半导体的热电性质 • 第五章总结与展望
光电子技术基础与应用习题答案
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
光电物理知识点总结大全
光电物理知识点总结大全1. 光电效应光电效应是光和电子之间的基本相互作用过程。
它是指当金属表面或半导体中的电子受到光的照射时，会被激发出来并形成光电流的现象。
光电效应是建立现代光电子学的基础，它揭示了光子的能量和动量对于材料中电子能级的激发影响。
光电效应有三种主要类型：外光电效应、内光电效应和光电发射效应。
2. 波粒二象性波粒二象性是指光和电子都具有波动性和粒子性。
在某些实验中，光和电子表现出波动特性，而在其他实验中，它们又表现出粒子特性。
这一概念的提出解决了红外灾变、飞行时间技术、光学和粒子散射中的许多问题。
波粒二象性的发现是量子力学的重要基础，它为光电物理的发展提供了关键的理论基础。
3. 光的波动性质光的波动性质是指光是一种电磁波，它在传播过程中表现出波动的特性。
光波动性质的研究揭示了光的干涉、衍射、偏振等现象，为光电物理的研究与应用提供了理论基础。
光的波动性质在光学、光电子学、光通信等领域具有重要的应用价值。
4. 光的粒子性质光的粒子性质也称为光子性质，是指光在相互作用过程中表现出粒子的特性。
光的粒子性质的研究揭示了光的能量、动量和频率对材料中电子的激发影响，为光电子学、半导体器件等领域的应用提供了理论支持。
5. 光电子发射光电子发射是指金属或半导体中的电子受到光照射时，把部分能量吸收，并运动到离开金属或半导体表面的位置。
光电子发射是光电效应的重要现象之一，它在光电子学、半导体器件和光学信息处理等领域具有重要的应用价值。
6. 光电晶体光电晶体是由光子晶体和电子晶体组成的一种新型功能材料。
它具有光学周期结构和电子周期结构的双重优势，能够在光电效应的基础上实现光与电子的相互转换和控制。
光电晶体在半导体器件、光通信、光电信息处理等领域具有重要的应用前景。
7. 光电导现象光电导现象是指当半导体材料受到光照射时，导电性能会发生变化的现象。
光电导现象的研究为半导体光电子器件的设计和应用提供了技术支持，包括太阳能电池、光电导光纤、光电探测器等。
光电子器件的物理学基础
光电子器件的物理学基础光电子器件是一种综合了光学和电子学的高科技产品。
在现代工业和生活中，光电子器件的应用广泛，包括LED发光二极管、光电传感器、激光器等等。
光电子器件的物理学基础是研究这些器件如何通过光子和电子之间的相互作用实现光电转换的机理和原理。
光电转换是指将光能转换为电能或将电能转换为光能的过程。
光电子器件可以将光子能量转化为电子能量，也可以将电子能量转化为光子能量。
因此，光电子器件在能源转换和信息传输方面具有广泛的应用。
光电子器件的物理学基础主要包括下列几个方面：一、光电子效应的物理学基础光电子效应是指光子与物质相互作用时，物质中的电子被激发出来的现象。
它是光电子器件的基础。
光电子效应的主要物理学原理是光子的能量被吸收后，会激发物质中的电子运动，造成电子从固体中逸出的现象。
这种现象被称为“逸出”。
逸出电子的能量与光子的能量有关。
由于光子具有粒子性和波动性双重性质，因此光子具有一个确定的能量和一个确定的频率。
当光子的能量大于物质中某个电子的结合能时，就会激发这个电子的运动，使其逸出。
这种现象被称为“外光电效应”。
除了外光电效应外，还有“内照电效应”和“光致电子发射效应”等。
内照电效应是指当物质中有光子产生时，会使材料中的电子被激发并产生电流。
光致电子发射效应是指当光线照射在材料中时，会激发电子从材料中逸出并形成电流。
二、半导体物理学基础半导体是一种具有介于导体和绝缘体之间电导率的晶体材料。
半导体物理学是研究半导体材料的物理和电学性质的学科。
半导体的物理学基础是外加电场引起的载流子漂移、热运动和复合等基本现象。
半导体材料的载流子包括电子和空穴。
在晶体内，电子和空穴以它们的带电体积密度存在。
在半导体PN结的结构中，由于两侧材料的导电性质不同，PN结上经常发生复杂的电荷重排，形成像二级电场一般的电位，使得载流子在PN结上受到约束，从而使二极管具有截止和导通两种正反向导电状态。
三、光电传感器的物理学基础光电传感器是利用光电效应进行信息检测和测量的设备。
电子元器件基础知识大全
电子元器件基础知识大全篇一：电子元器件基础知识第一讲电子元器件基础知识课程大纲：第一章电子元器件分类第二章集成电路的基础知识第三章集成电路的发展及分类第四章集成电路的命名第五章集成电路的封装第六章集成电路的品牌第七章集成电路的品牌分销商第一章电子元器件分类第一节电子元器件分类●概念：电子元器件是电子工业发展的基础。
它们是组成电子设备的基本单元，属电子工业的中间产品。
●电子元器件分为两类：半导体、电子元件第二节行业概念●被动组件是电子产品中不可缺少的基本组件。
电子电路有主动与被动两种装置，所谓被动组件是不必接电就可以动作，而产生调节电流电压，储蓄静电、防治电磁波不干扰、过滤电流杂质等的功能。
相对应主动组件，被动足是在电压改变的时候，电阻和阻抗都不会随之改变。
被动组件可以涵盖三大类产品：电阻器、电感器和电容器。
●半导体分立器件主要包括半导体二极管、三极管、三极管阵列、ＭＯＳ场效应管、结型场效应管、光电耦合器、可控硅等各种两端和三端器件。
●有源器件和无源器件简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。
有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。
电容、电阻、电感都是无源器件，ＩＣ、模块等都是有源器件。
●摩尔定律INTEL公司创建人之一戈登·摩尔的经验法则，他曾经这样描述：“随着芯片上的电路复杂度提高，元件数目必将增加，然而每个元件的成本却每年下降一半。
”摩尔定律看似非常简单，实则对于半导体工业的发展的指导意义深远。
一些分析家预测摩尔定律终将实效——一种自我激励的机制，只要半导体技术和经济的发展还能满足市场需要，摩尔定律还将继续生存下去，只不过是速度上的减缓。
第二章集成电路的基础知识第一节集成电路的基础介绍我们通常说的“芯片”是指集成电路，它是微电子技术的主要产品。
所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小，它是现代信息技术的基础，我们通常所接触的电子产品，包括通讯、电脑、智能化系统、自动控制、空间技术、电台、电视等等都是在微电子技术的基础上发展起来的。
光电子学基础及其在信息科学中的应用
光电子学基础及其在信息科学中的应用光电子学是一门研究光与电相互作用以及在半导体、光纤、光电器件等领域中应用的学科。
在信息科学中，光电子学的应用越来越广泛，例如光纤通信、激光印刷、光学存储等等。
本文将从基础方面介绍光电子学的涉及内容，并探讨其在信息科学中的应用。
1. 光的性质光的基本性质是电磁波，具有电场和磁场的特性。
其中电场是与光传播方向相垂直的振荡性质，磁场也遵循相同的规律。
光的波长决定了它在介质中的速度，光在真空中的速度是光速，约为3×10^8 m/s。
2. 半导体物理半导体在光电子学中起着核心作用。
它是指在晶体中，某些能级缺失电子（空穴）或多余电子（自由电子），可以带电的固体物质。
半导体材料的最优字段是红外区域，从而实现高响应、大量产和低成本的光电器件。
3. 光电器件光电器件是指那些具有光电转换功能的器件。
常见的光电器件有光电二极管和光敏电阻。
光电二极管是利用半导体材料进行光电转换，将光信号转化成电信号；光敏电阻则是根据光的强度对电阻进行调节。
4. 光纤通信光纤通信是将信号转换成光信号进行传输的通信方式。
在光纤通信中，信息通过激光器转换成光信号，再通过光纤进行传输，通过光电探测器转换回电信号，接收端再将其转换为原始信息。
相比其他通信方式，光纤通信的传输速度更快、距离更远、更稳定。
5. 激光印刷激光印刷是一种通过通过激光器制作模板来给物体表面直接刻画的印刷。
激光印刷可以制造精细图案或文字，并且可以在许多材料上使用，例如金属、塑料和玻璃。
激光印刷取代了传统的印刷方式，更加灵活和高效。
6. 光学存储光学存储是一种利用光记录信息并在之后读取的存储方式。
在光学存储中，光通过激光器发送到介质上，然后烧录或烤制物质以记录信息。
读取时，激光通过介质并检测跟踪光信号。
总之，光电子学在信息科学中的应用日趋广泛。
它在通信、印刷、存储和其他领域都有着重要的作用。
我们期望光电子学在未来得到更广泛的应用，为人们带来更多的便利。
光电子学教程_课后作业答案
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
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
lc c c , c 1 1 c c , lc
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。
好好学习，天天上上
9. 经典物理观点：跃迁所发出的电磁波不是单色波，而是分 布在中心频率附近的一个小的频率范围的单色波的组合， 在谱图上正好表现为一定宽度。 量子力学观点：由测不准关系，在某一时刻，粒子所处的 能级也是不确定的，即能级不是单一的，跃迁的结果也就 相当发出了多种不同频率的光子，形成了谱线宽度。自发 辐射过程中这种增宽效益是不可避免的，也是谱线宽度所 能达到的最低值，因而决不存在线宽为0的情况，即不可 能发出绝对的单色光。 由此可见，没有绝对单一波长的光波存在。
1好好学习天天上上03电子科学与技术光电子学课程作业光电子学课程作业参考用标准答案参考用标准答案202162203电子科学与技术章节目录第五章第五章光辐射的探测光辐射的探测第四章第四章光辐射在介质中波导中的传播光辐射在介质中波导中的传播第三章第三章激光振荡与工作特性激光振荡与工作特性第二章第二章介质中的光增益介质中的光增益第一章第一章光与物质相互作用基础光与物质相互作用基础第六章第六章发光器件发光器件第七章第七章光电转换器件光电转换器件第八章第八章第八章第八章光波调制光波调制03电子科学与技术电子科学与技术companylogo好好学习天天
1 I ( x) G ln x I0
1 1 ln 2 ln 8 5 x
光电信息物理基础
光电信息物理基础1. 引言光电信息物理基础是光电信息科学与技术的基础课程之一，主要涉及光电物理学和光电子学的基本原理和应用，为研究光电传感器、光电器件以及光电子设备的设计和应用打下基础。
本文将介绍光电信息物理基础的主要内容，包括光电物理学和光电子学的基本原理、光电器件的种类和特性以及光电子设备的应用领域。
2. 光电物理学基本原理光电物理学是研究光与物质相互作用的学科，主要涉及光的传播规律、光的吸收和发射以及光与物质相互作用的基本过程。
常见的光电物理学原理包括：2.1 光的传播光的传播遵循光的几何光学理论和波动光学理论。
几何光学理论描述了光束在直线传播时的基本规律，如光的反射和折射。
波动光学理论则从波动的角度解释了光的传播现象，如衍射和干涉。
2.2 光的吸收和发射光的吸收与发射是光与物质相互作用的基本过程。
光通过与物质的相互作用，可以被物质吸收或者物质发射光。
这些过程可以通过光的能量和频率来描述。
2.3 光与物质相互作用光与物质相互作用包括光与原子、分子以及固体材料之间的相互作用。
光的能量可以激发物质的电子跃迁，产生吸收和发射现象。
其中，电子跃迁是光与固体材料相互作用的主要过程。
3. 光电子学基本原理光电子学是研究光电子器件和系统的学科，主要涉及光的探测、放大、调制和转换等原理和技术。
常见的光电子学原理包括：3.1 光电效应光电效应是指物质受到光照射后，电子从物质中被激发并逸出的现象。
根据光电效应的不同特征，可以将光电效应分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是光照射到材料表面产生的光电效应，常用于光电传感器的设计与应用。
内光电效应是光照射到材料内部产生的光电效应，常用于光电探测器和光电放大器等光电器件。
3.2 光电器件光电器件是用于探测、放大和转换光信号的设备。
常见的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电二极管阵列等。
这些器件基于光电效应的原理工作，可以将光信号转化为电信号或者电信号转化为光信号。
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）。
(必考题)初中高中物理选修二第五章《传感器》知识点(答案解析)
一、选择题1．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。
下列说法正确的是（）A．甲图是某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式充电的原理图，无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B．在乙图中，开关由闭合变为断开，则断开瞬间触头C马上离开触点C．在丙图中，钳形电流表是利用电磁感应原理制成的，它的优点是不需要切断导线，就可以方便地测出通过导线中交变电流的大小D．丁是电容式话筒的电路原理图，声波的振动会在电路中产生恒定的电流2．如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。
若振动膜a周期性振动，则（）A．a振动过程中，a、b板间的电场强度不变B．a振动过程中，a、b板所带电荷量不变C．a振动过程中，灵敏电流计中始终有方向不变的电流D．a向右的位移最大时，a、b板所构成的电容器的电容最大3．位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑片P，通过电压表显示的数据，来反映物体M位移的大小x。
假设电压表是理想电表，物体M不动时，滑片P位于滑动变阻器正中间位置，则下列说法正确的是（）A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化C．物体M不动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数4．下列关于传感器说法中不正确的是（）A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断D．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量5．图甲表示某压敏电阻的阻值R随所受压力变化的情况。
把这个压敏电阻与秤台、电池、电流表组合起来（图乙），用压敏电阻作为承重的载体，把电流表的刻度改为相应的质量刻度，就得到了一个简易电子秤。
光电信息物理基础
光电信息物理基础涵盖了光电子学、量子光学、光电半导体、光纤通信等多个领域。
在现代通讯和信息技术领域中，光电子学和光电物理学的研究和应用越来越广泛。
在光电子学领域中，研究的主要问题是如何将光子与电子结合起来，开发出新的光学器件。
例如，光电二极管、光电导、光电输运器件等，这些设备可以将光信号释放为电信号，反之亦然。
另外，量子光学是研究光和物质的基本相互作用规律，这项研究的重点是利用量子力学与光的相互作用打开新突破口。
在光电半导体领域中，研究着关于半导体材
料的光发射现象。
半导体中，电洞与导带之
间能的大小决定了固体能带图像，光晕的出
现和消失受到了极大的影响。
光电半导体技
术的发展应用非常广泛，从LED的研发到太阳能电池，从光纤通信到激光器。
光纤通信是另一个光电子领域，其使用了光
纤作为传输媒介，将光的信号通过光纤传输，并将其转换为电信号。
光纤通信比起以往的
通信手段有很多优势，例如数据传输速度快、抗干扰性能强等。
总的来说，光电信息物理基础的研究和应用
为现代通讯、信息技术领域提供了非常重要
的支持，并且其发展前景广阔。
光电子器件的物理建模与性能分析
光电子器件的物理建模与性能分析光电子器件是一种利用光电效应将光能转化为电能或者将电能转化为光能的装置。
光电子器件的物理建模和性能分析是研究和开发光电子器件的重要环节。
本文将从光电子器件的物理建模和性能分析两个方面展开讨论。
一、光电子器件的物理建模光电子器件的物理建模是指将光电子器件的工作原理、结构和材料特性等因素进行抽象和描述，以便进行数学模型的建立和理论分析。
光电子器件的物理建模可以从以下几个方面进行：1. 光电效应的描述光电效应是光电子器件能够将光能转化为电能的基础。
光电效应可以通过经典物理学和量子力学的理论进行描述。
经典物理学的光电效应理论主要包括光电流和光电子动能的关系，而量子力学的光电效应理论则更加深入，可以解释光电子的波粒二象性和能带结构等现象。
2. 光电子器件的结构建模光电子器件的结构建模是指将光电子器件的物理结构进行几何和电路等方面的描述。
光电子器件的结构建模可以采用有限元方法、电路模型等数学工具进行分析。
通过结构建模，可以对光电子器件的电场分布、光学特性等进行定量分析。
3. 光电子器件的材料特性建模光电子器件的材料特性建模是指将光电子器件所使用的材料的光学和电学特性进行描述。
材料特性建模可以通过光学常数、载流子迁移率、能带结构等参数进行分析。
材料特性建模可以为光电子器件的性能分析提供重要的理论基础。
二、光电子器件的性能分析光电子器件的性能分析是指对光电子器件的光电转换效率、响应速度、噪声特性等进行定量评估和优化。
光电子器件的性能分析可以从以下几个方面进行：1. 光电转换效率的分析光电转换效率是衡量光电子器件性能的重要指标。
光电转换效率可以通过光电流和输入光功率的比值进行计算。
光电转换效率的分析可以通过物理建模和实验测量相结合的方法进行。
2. 响应速度的分析响应速度是光电子器件的另一个重要性能指标。
响应速度可以通过光电流的上升时间和下降时间进行评估。
响应速度的分析可以通过电路模型和传输线理论等方法进行。
第五章 直视型电真空成像器件成像物理guai
13
光电成像原理
§5.2 像管结构类型与性能参数
一、像增强器
1. 近贴式像增强器—图5-2 近贴聚焦的电子光学系统的光阴极和荧光屏相
距1mm左右，且相互平行，在它们之间施加高压， 使两极间形成纵向均匀静电场，光电子流在此静电 场作用下飞向荧光屏。
近贴式像增强器的要求： 极间距离不能太大，否则影响分辨力； 极间电压不能太高，否则影响亮度增益和像质。
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光电成像原理
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光电成像原理
实现级联的方Biblioteka 也有两种：一种是在同一管壳内 用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电 阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级 像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种 方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚 焦型像增强管耦合在一起
常用的光阴极：红外光敏感的银-氧-铯光阴极，可见 光敏感的双碱、多碱、砷化镓材料的负电子亲和势 光阴极，紫外光敏感的紫外光阴极。
光阴极有透射型和发射型两种，透射型较常用。
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光电成像原理
§5.1 像管成像的物理过程
二、电子图像的能量增强
完成电子图像能量增强的部件—电子光学系统 电子光学系统是某一特定的静电场或电磁场。离开 光阴极的低能量光电子图像在静电场或电磁场的作 用下得到加速并聚焦到荧光屏上。
荧光屏的发光与荧光屏的发光材料、入射的光 电子流密度、加速电压值有关。并且当光电子流的 加速电压一定时，其发光亮度正比于入射的光电子 流密度。
对荧光屏的要求：
高转换效率η；
辐射光谱和人眼或与之耦合的其他接收器件的 光谱响应相一致；
荧光粉颗粒度尺寸。
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第五章光电子器件物理基础
A、B、C三个系数的关系
在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子 系统中，如果单色辐射能量密度为 ，则有如下关系
自发辐射光子数 受激辐射光子数
受激吸收光子数
➢ 式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右 边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收 光子数相等
第五章光电子器件物理基础
5.3 半导体物理基础
5.3.1 作用 光源作用：
电流形式电能→光能→注入光纤进行传输。
光纤通信用光源：发光二极管、激光器
发光二极管：自发辐射发光，功率小且谱线宽的非
相干光，直接带隙的半导体材料。
激光器：受激辐射发光，功率大、光谱性能好、光
电转换效率高。
利用半导体晶体有源区产生实现粒子数反转形成光
第五章光电子器件物理基础
p-n结并非是把两种导电类型不同的半导体 材料简单地连接起来形成的，而是在一块n 型(或p型)半导体衬底上用适当的工艺方法 (如合金法、扩散法、离子注入法)掺入p型 (或n型)杂质，或者是在n型(或p型)材料上通
过外延工艺生长p型(或n型)材料形成一定
的杂质分布而构成的。
第五章光电子器件物理基础
与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同
时消失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，
又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，
半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子
和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发
生。
第五章光电子器件物理基础
受激辐射
Ec E9
Ev 绝缘体
导 带
禁 带
E9
价 带
半导体
导体
半导体的价带和导带之间存在小带隙，容易产生能带之间 的跃迁，通过电子-空穴复合发光。
第五章光电子器件物理基础
5.3.3 辐射
导 带
E (禁带 g 宽)
价 带
产生和复合
由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程
称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中
没有掺杂的纯硅材料为本征材料
第五章光电子器件物理基础
多余电 子
磷（P)，锑（sb )等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅
中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位
置。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在
价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离
子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运
P型半导体 硼（B）铝（AL）镓（GA）等三族元素原子的最外层有三个电子，它
在硅中也是处于替位式状态，如图所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价 键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来 填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是“空穴”。 硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能移动， 不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴 导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。图表示P型半导体材料的 能带图，为半导体材料提供一个空穴的Ⅲ族杂质原子，通常称之为受主杂质。
第五章光电子器件物理基础
小结：纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价 带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠 价带空穴导电的半导体称p型半导体。
第五章光电子器件物理基础
5.3.7 PN结
要形成一个有用的半导体微电子或光电子器件，单靠 一种导电类型(n型或p型)的半导体材料是不够的。通常需要 把两种不同导电类型的半导体，或半导体与金属或半导体与 绝缘体结合形成界面或p-n结。
➢ 达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理 想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T
第五章光电子器件物理基础
光谱密度 为 黑体辐射光谱密度（普朗克公式）为
在热平衡中，两密度相等，可得
第五章光电子器件物理基础
5.3.5 能带理论
电子在导带中费米分布 空穴在价带中费米分布 f(E)称为费米分布函数，EF 是费米能级，k 是波耳兹曼常数，T 是热力学温度
复合的材料。
第五章光电子器件物理基础
• 激光器的自发辐射波长是由直接带隙材料 的带隙能量所决定的。
• 制造电致发光光源的半导体材料要求：
① 形成PN结，对于载流子注入，材料本身有助于 形成具有合适特性的PN结；
② 有效的电致发光，具有高概率的辐射跃迁和高的 内量子效率；
③可用的发射波长，波长应在850nm~1700nm。
第五章光电子器件物理基础ห้องสมุดไป่ตู้
受激吸收
受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量
）
的刺激作用，完全吸收光子的能量而
跃迁到高能级E2的过程
光的受激吸收过程
图 光的受激吸收过程
特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完 全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程
第五章光电子器件物理基础
自发辐射：1）处在高能级的自发行为；2）产生的光子能量相同，相位各异； 3）发射的光是一种光谱范围很宽大的非相干光。 受激辐射：1）光子可以引起电子产生能级跃迁并发射新的光子；2)产生的新光子 与入射感应光子在能量（或频率）和传播方向完全一致；3）发射的光是一种光谱 很窄的相干光。 吸收辐射：1）吸收辐射需要消耗外来的光能；2）吸收光子，形成电子-光子对， 完成光电转换过程。
第五章光电子器件物理基础
在没有外加电压时，由于载流子的扩 散作用和漂移作用相抵消，所以在p-n 结中是不会有电流的，此时p-n结处于 热平衡状态。
在空间电荷区中存在着内建电场，其方 向是由n区指向p区的，这就使得n区的 电位相对提高，而p区的电位相对降低。 由于电位高低是对正电荷定义的，所以 对带负电的电子来说，n区的电子位能 低于p区的电子位能，对带正电荷的空 穴来说则相反。
受激辐射：当受到外来的能量
的光照射
时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1 跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
光的受激辐射过程
图 光的受激辐射过程
第五章光电子器件物理基础
受激辐射的特点
➢ 当外来激励光子能量为高低两能级能量差 时，才能发生受激辐射
➢ 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率 、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来 辐射是相干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了 光的受激辐射过程是产生激光的基本过程（受激辐射的光 子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到 证明）
p-n结的形成
p型和n型半导体并不能直接用来制造半 导体器件。通常是在n型(或p型)半导体 的局部再掺入浓度较大的三价(或五价) 杂质，使其变为p型(或n型)半导体，在p 型和n型半导体的交界面就会形成p-n结 ，而p-n结是构成各种半导体微电子和光 电子器件的基础。
第五章光电子器件物理基础
p型半导体中，价带有大量的空穴， n型半导体中，导带有大量的电子。 根据扩散原理，在p-n结附近就会 有空穴从p区向n区扩散，与n区的 导带电子相复合，在p区留下一些 带负电的电离受主。
发光二极管：自发辐射；激光器：受激辐射；光电二极管：吸收辐 射
第五章光电子器件物理基础
5.3.4 粒子数反转
粒子数反转：为了获得受激辐射光放大作用，必须使原子产生一个非平衡分布，使 高能级的电子数远远多于低能级的电子数。 粒子数反转的作用：引起受激辐射，而受激辐射是激光器实现光放大工作的先决条件。 泵浦过程：为了获得粒子数反转，必须使用外部能源将电子激发到高能级，从而 获得非平衡分布的过程。
内建电场使导带电子和价带空穴作漂 移运动，很明显漂移运动的方向与扩 散运动的方向相反。当两块典型半导 体刚接触时，扩散运动占优势，空间 电荷区逐渐扩展，内建电场也随之增 强，于是漂移运动不断加强，最后达 到平衡。这时扩散作用与漂移作用相 抵消，空间电荷区不再扩展，保持一 定的宽度，相应存在一定的内建电场。
第五章光电子器件物理 基础
2020/12/11
第五章光电子器件物理基础
5.1.2 半导体材料
制造光纤通信用光器件：半导体材料、非半 导体材料和其它材料。 半导体材料：直接带隙材料、间接带隙材料 直接带隙材料：一个电子和一个空穴相复合 并辐射一个光子的材料。 间接带隙材料：一个电子和一个空穴发生非辐射相
第五章光电子器件物理基础
p-n结两侧附近没有相应的导带电子和价 带空穴与之中和，我们把它们称为空间电 荷。于是在p-n结两侧形成了空间电荷区， 如图所示。n区一侧带正电，p区一侧带负 电，正负电荷之间产生一个内建电场ε，其 方向由正电荷指向负电荷，即从n区指向p 区。
p-n结两侧空间电荷区第的五章光形电子成器件物理基础
第五章光电子器件物理基础
• 通过改变它们的组成元素的比例系数x和y可以使它 们的能带结构、带隙宽度发生变发射谱的范围。
第五章光电子器件物理基础
5.1.3 非半导体材料
LiNbO3、LiTaO3具有优异的电光、声光、磁光、 热光等性能（光开关、调制器）。 电光效应:外加电场引起介质的光学，如折射率性能 的变化。
动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要
是磷所提供的自由电子
第五章光电子器件物理基础
结论: 磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质 。掺施主杂质后， 导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。
第五章光电子器件物理基础
空键
空穴
接受电子
第五章光电子器件物理基础
5.2.2 工作波长
光在介质中传输时，光波和传输介质要发生相互作 用。介质与不同波长的光相互作用时，其传播特性