omd09-光電子基礎(chǔ)

1、1,第七章 光電子基礎(chǔ),2,7.1 色 度 學(xué),色度學(xué) Colorimetry概念：色度學(xué)是量化和物理上描述人們顏色知覺的科學(xué)和技術(shù)。與光譜學(xué)（spectrophotometry）比較色度學(xué)同光譜學(xué)相近，但是色度學(xué)更關(guān)心的是于人們顏色知覺物理相關(guān)的光譜。,3,4,同一色調(diào)的彩色光， 會(huì)給人以深淺不同的感覺，深紅、粉紅是兩種不同飽和度的紅色，深紅色飽和度高，粉紅色飽和度低。飽和度取決于該色中含色成分和消色成分(灰色)的比例。含色成分

2、越大，飽和度越大；消色成分越大，飽和度越小。,例如：紅、 橙、 黃、 綠、 青、 藍(lán)、 紫等不同顏色，發(fā)光物體的色調(diào)由光的波長(zhǎng)決定，不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)不同的色調(diào)。不發(fā)光物體的色調(diào)由照明光源和該物體的吸收、反射或透射特性共同決定。,彩色光輻射的功率越大，亮度越高，反之亮度越低。 不發(fā)光物體的亮度取決于它反射光功率的大小。若照射物體的光強(qiáng)度不變，物體的反射性能越好，物體越明亮，反之越暗。對(duì)于一定的物體，照射光越強(qiáng)，物體越明亮，反之越暗。,彩

3、色三要素描述彩色的三個(gè)基本參數(shù)： 亮度 色調(diào) 飽和度 這三個(gè)參量可以描述自然界中的大部分彩色光，我們稱之為彩色三要素。,亮度反映光的明亮程度,色調(diào)反映彩色的類別,色飽和度反映彩色光的深淺程度,5,彩色視覺 人眼視網(wǎng)膜上有大量的光敏細(xì)胞，按形狀分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。 桿狀細(xì)胞：靈敏度很高，但對(duì)彩色不敏感，人的夜間視覺主要靠它起作用，因此，在暗處只能看到黑白形象而無法辨別顏色。 錐狀細(xì)胞：既可辨別光的

4、強(qiáng)弱，又可辨別顏色，白天視覺主要由它來完成。 關(guān)于彩色視覺，科學(xué)家曾做過大量實(shí)驗(yàn)并提出視覺三色原理的假設(shè)，認(rèn)為錐狀細(xì)胞又可分成三類，分別稱為紅敏細(xì)胞、 綠敏細(xì)胞、 藍(lán)敏細(xì)胞。,6,不同波長(zhǎng)的光對(duì)三種細(xì)胞的刺激量是不同的，產(chǎn)生的彩色視覺各異，人眼因此能分辨出五光十色的顏色。電視技術(shù)利用了這一原理，在圖像重現(xiàn)時(shí)，不是重現(xiàn)原來景物的光譜分布，而是利用三種相似于紅、 綠、 藍(lán)錐狀細(xì)胞特性曲線的三種光源進(jìn)行配色，在色感上得到了相同的效果。,

5、7,三基色原理１、三基色根據(jù)人眼的視覺特性，在電視機(jī)中重現(xiàn)圖像時(shí)并不要求完全重現(xiàn)原景物反射或透射光的光譜成分，而應(yīng)獲得與原景物相同的彩色感覺。因此仿效人眼三種錐狀細(xì)胞，可以任選三種基色。　　三種基色必須是相互獨(dú)立的，任一種基色都不能由其他兩種基色混合得到，將它們按不同比例進(jìn)行組合，可得到自然界中絕大多數(shù)的彩色。具有這種特性的三個(gè)單色光叫基色光， 這三種顏色叫三基色。,8,2、 三基色原理 三基色必須是互相獨(dú)立的 自然界中

6、絕大多數(shù)的彩色可以分解為三基色，三基色按一定比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)彩色。 混合色的色調(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定。 混合色的亮度等于三種基色亮度之和。 　因?yàn)槿搜鄣娜N錐狀細(xì)胞對(duì)紅光、綠光和藍(lán)光最敏感，所以在紅色、綠色和藍(lán)色光譜區(qū)中選擇三個(gè)基色按適當(dāng)比例混色可得到較多的彩色。,9,相加混色：　　紅色+綠色=黃色 綠色+藍(lán)色=青色 藍(lán)色+紅色=紫色 紅色+綠色+藍(lán)色=白色紅色+青色=白色 綠色+

7、紫色=白色 藍(lán)色+黃色=白色適當(dāng)改變?nèi)獾膹?qiáng)度，可以得到自然界中常見的彩色光。,10,互補(bǔ)色當(dāng)兩種顏色混合得到白色時(shí)，這兩種顏色稱為互補(bǔ)色。 紅與青互為補(bǔ)色綠與紫互為補(bǔ)色藍(lán)與黃互為補(bǔ)色,11,色度三角形　三基色混合(相加混色法)所產(chǎn)生的各種顏色，可以由色度三角形予以說明。,12,7. 2 半導(dǎo)體的光電效應(yīng),13,半導(dǎo)體中的載流子在外場(chǎng)的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)---漂移運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度---漂移速度 。漂移運(yùn)動(dòng)引起

8、的電流---漂移電流。,1. 載流子的漂移（drift）運(yùn)動(dòng),半導(dǎo)體中電子做隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)。碰撞間的平均距離為平均自由程（mean free path，10-7m），碰撞間的平均時(shí)間為平均自由時(shí)間（mean free time, ?c, ps） 。,14,,,施加的電場(chǎng)為E，由沖量定理可以得到,電子的漂移速度正比于施加電場(chǎng)，而比例因子則視平均自由時(shí)間與有效質(zhì)量而定。該比例因子稱為電子遷移率（electron mobility）?n，單位為c

9、m2/(V?s),,,電子遷移率,，則,15,對(duì)于價(jià)帶中的空穴，漂移速度可以寫為,定性分析：遷移率的大小反映了施加電場(chǎng)影響載流子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。,16,影響遷移率的因素,不同材料，載流子的有效質(zhì)量不同；但材料一定，有效質(zhì)量則確定。,對(duì)于一定的材料，遷移率由平均自由時(shí)間決定，也就是由載流子被散射的機(jī)制來決定的。,17,半導(dǎo)體的主要散射（scatting）機(jī)制,* Phonon （lattice）scattering 聲子（晶格）散射,

10、* Ionized impurity scattering 電離雜質(zhì)散射,* scattering by neutral impurity and defects 中性雜質(zhì)和缺陷散射,* Carrier-carrier scattering 載流子之間的散射,* Piezoelectric scattering 壓電散射,18,（1）晶格振動(dòng)散射,在任何

11、高于絕對(duì)零度下晶格原子熱振動(dòng)，這些振動(dòng)擾亂了晶格的周期場(chǎng)，并允許能量在載流子和晶格之間轉(zhuǎn)移。晶格振動(dòng)與溫度成正比，在高溫下晶格散射變得顯著。,晶格散射幾率：,19,（2）電離雜質(zhì)散射,電離雜質(zhì)散射幾率：,當(dāng)一個(gè)載流子經(jīng)過一個(gè)電離的雜質(zhì)（施主或受主）時(shí)發(fā)生。由于庫(kù)侖力的交互作用，帶電載流子的路徑會(huì)發(fā)生路徑偏移。,雜質(zhì)散射的幾率與電離雜質(zhì)的總濃度（NI）有關(guān)。但與晶格散射不同，在較高溫度下，載流子移動(dòng)速度較快，它們?cè)陔s質(zhì)原子附近停留的時(shí)間

12、較短，有效散射也因此減少。,20,總的散射幾率：,P=PL + PI+ ----,總的遷移率：,21,主要散射機(jī)制,,,電離雜質(zhì)的散射：,晶格振動(dòng)的散射：,溫度對(duì)散射的影響,22,,輕摻雜時(shí) 電離雜質(zhì)散射可忽略,遷移率,,,,,,遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系,遷移率~雜質(zhì)濃度,非輕摻雜時(shí),雜質(zhì)濃度,電離雜質(zhì)散射,23,遷移率與溫度的關(guān)系,輕摻：忽略電離雜質(zhì)散射,,,,,,高溫： 晶格振動(dòng)散射為主,μ,,,,,非輕摻：,低溫： 電離

13、雜質(zhì)散射為主,電離雜質(zhì)散射,T,24,2. 遷移率與電導(dǎo)率的關(guān)系(Mobility~Conductivity),-------毆姆定律的微分形式,毆姆定律的微分形式,25,電流密度另一表現(xiàn)形式,26,電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系,27,電阻率與摻雜、溫度的關(guān)系,28,電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系,輕摻雜：μ~常數(shù)；雜質(zhì)完全電離，n=ND p=NA,電阻率與雜質(zhì)濃度成簡(jiǎn)單反比關(guān)系,非輕摻雜：,雜質(zhì)濃度增高時(shí)，曲線嚴(yán)重偏離直線,原因,29,30,電阻

14、率與溫度的關(guān)系,31,32,3.強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)(Hight-Field Effects ),歐姆定律的偏離,33,電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)：,μ與電場(chǎng)無關(guān)，歐姆定律成立。,電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度（103 V/cm）后：,μ與電場(chǎng)有關(guān)，歐姆定律不成立。,平均漂移速度隨外電場(chǎng)的增加而加快的速度變得比較慢。,飽和漂移速度/極限漂移速度。,電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)：,平均漂移速度趨于飽和,34,* 平均自由時(shí)間與載流子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),35,無電場(chǎng)時(shí)：,平均自由時(shí)間與電場(chǎng)無關(guān),低電場(chǎng)

15、時(shí)：,平均自由時(shí)間與電場(chǎng)基本無關(guān),強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：,平均自由時(shí)間由兩者共同決定,36,4. 半導(dǎo)體的性質(zhì),半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件。 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆?厘米)) 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。,37,平衡和非平衡載流子,處于

16、熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。,38,非平衡載流子的產(chǎn)生,光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡

17、載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。其它方法：電注入、高能粒子輻照等。,39,半導(dǎo)體對(duì)光的吸收,吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收,物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體

18、吸收，其余的光透過物體,40,本征吸收：當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶寬時(shí)，本征吸收開始，稱為本征吸收邊。一般的半導(dǎo)體可以區(qū)分為兩類情形，在圖a的情形，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于k=0，所以吸收邊的電子躍遷符合k不變的要求，這樣的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。在圖b的情形，導(dǎo)帶底不在k=0，電子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，準(zhǔn)動(dòng)量是不守恒的，所以本來是不允許的；實(shí)際上實(shí)現(xiàn)這一躍遷是借助于同時(shí)還吸收或發(fā)射一個(gè)聲子，以補(bǔ)償電子準(zhǔn)動(dòng)量的變化。這樣的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)

19、體。,41,,42,價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。 能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。,激子吸收,21K， GaAs中的激子吸收譜,43,雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收,引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬

20、度小，所以這種吸收在本征吸收限以外的長(zhǎng)波區(qū) 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的。,44,5. 半導(dǎo)體的光電效應(yīng),光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可分為:內(nèi)電光效應(yīng)與外電光效應(yīng),內(nèi)電光效應(yīng):光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)外電光效應(yīng):光電發(fā)射效應(yīng),45,光電導(dǎo)效應(yīng),光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電

21、導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí),材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。主要有本征光電導(dǎo)與非本征光電導(dǎo)。下面討論本征光電導(dǎo)：,,,,本征半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)圖,半導(dǎo)體無光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。,46,當(dāng)入射光功率為,,為常數(shù)時(shí)：,用來產(chǎn)生光電效應(yīng)的光功

22、率:,產(chǎn)生非平衡載流子的光子數(shù)：,產(chǎn)生非平衡載流子的濃度：,在穩(wěn)定光照下，光生載流子不斷產(chǎn)生，同時(shí)也不斷復(fù)合。在穩(wěn)定時(shí)光生載流子的濃度為：,光電導(dǎo)為：,暗電導(dǎo)為：,47,那么它的短路光電流密度為：,產(chǎn)生的短路光電流：,光電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間,光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。,48,積分得到：,矩形脈沖光照弛豫過程圖,同樣停止光照時(shí)：,正弦光照弛豫過程圖,

23、考察其瞬態(tài)過程：,49,光生伏特效應(yīng),光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。,產(chǎn)生機(jī)制：側(cè)向光電效應(yīng)：光生載流子的濃度梯度光電磁效應(yīng)：半導(dǎo)體受強(qiáng)光照射并在光照垂直方向外加磁場(chǎng)時(shí)，垂直于光和磁場(chǎng)的半導(dǎo)體兩端面之間產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光電磁效應(yīng) 勢(shì)壘效應(yīng)（PN結(jié)）,50,,PN結(jié)光伏效應(yīng),將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域

24、，稱為PN結(jié)。,,,,,,,,,P型,N型,,,,,,,P型,N型,能級(jí)彎曲的原因： 在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費(fèi)米能級(jí) 能級(jí)是相對(duì)于電子來說的，在經(jīng)過PN結(jié)時(shí)電場(chǎng)力做功，電勢(shì)能降低,,51,二極管的伏安特性電流：,＋,－,那么流過PN結(jié)的電流為：,若入射光功率為?s，光電流的大小為：,52,,,,,,v,Id,,,它的供電電流為：,二極管伏安特性,,,,,v,I,光敏二極管伏安特性,短路電流為：,開路電壓：,說明：第

25、三象限為光電流區(qū) 第四象限為光電池區(qū) 第一象限不利用,53,光電發(fā)射效應(yīng),金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。,外光電效應(yīng)的兩個(gè)基本定律：,1．光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：    當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)

26、， 飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射 光強(qiáng)度成正比,2. 光電發(fā)射第二定律——愛因斯坦定律    光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W,54,表面勢(shì)壘：金屬表面形成的偶電層使表面電位突變,金屬表面勢(shì)壘,光電發(fā)射大致可分三個(gè)過程：   

27、 1)金屬的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。    2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。    3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。,,,,,,,E0,,,,W,Ef,55,半導(dǎo)體的光電發(fā)射逸出功為：,（其中EA為電子親和

28、勢(shì)）,半導(dǎo)體光電發(fā)射,注意：在光電效應(yīng)里面：包括內(nèi)電光與外電光效應(yīng)，都存在著一個(gè)閥值波長(zhǎng)問題,56,光熱效應(yīng),光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化． 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象． 輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象． 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流．