光電子復(fù)習(xí)

1、Qe（輻射能）,,,,Φe (輻射通量),,Me(輻射出射度),Ie(輻射強(qiáng)度),Le(輻射亮度),,,(輻射照度),Ee,問題：請(qǐng)推導(dǎo)一個(gè)均勻點(diǎn)光源在空間一點(diǎn)的輻射照度與該光源的輻射強(qiáng)度的關(guān)系（提示根據(jù)定義）,3. 普朗克公式,黑體處于溫度T時(shí)，在波長? 處的單色輻射出射度由普朗克公式給出,,式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，kB為玻爾茲曼常數(shù)。令,,,,C1 第一輻射常數(shù)C2 第二輻射常數(shù),維恩位移定律:,維恩位移

2、定律指出：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。,,,,5000K,6000K,,,4. 維恩位移定律,5. 斯特藩-玻爾茲曼定律,溫度為T的黑體的輻射出射度為:?=5.67×10－12 (W/cm2·K4) (斯特藩—玻耳茲曼常數(shù)）,假設(shè)人體輻射符合黑體輻射規(guī)律，人體的溫度為310K，求其峰值輻射波長和輻射出射度。,,M=?T4=5.2×102W/m2,再如飛機(jī)尾煙的溫度為1000

3、K，其峰值輻射波長,激光的特點(diǎn)：方向性，單色性，相干性,高的能 量密度,1.自發(fā)輻射,若原子處于高能級(jí)E2上，自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，并發(fā)射出一個(gè)能量為hn的光子。,hn=E2-E1,對(duì)于處在高能級(jí)E2上的粒子來說，它們各自獨(dú)立地、隨機(jī)地分別躍遷到低能級(jí)E1上，發(fā)射出一個(gè)一個(gè)的光子，這些光子的能量相同，但彼此無關(guān)，且具有不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非相干光。,自發(fā)輻射中發(fā)出的光波是不相干的,2.受激輻射,處

4、于高能級(jí)E2上的原子在外來頻率的光子的“激勵(lì)”下，以一定的幾率從E2向E1（低能級(jí)）躍遷，同時(shí)放出頻率hn的光子的過程。發(fā)射的光子和入射的光子是全同光子。,hn=E2-E1,在受激輻射躍遷的過程中，一個(gè)誘發(fā)光子可以使處在上能級(jí)上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個(gè)與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個(gè)光子又可以去誘發(fā)其它發(fā)光粒子，產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子。這樣，在一個(gè)入射光子的作用下，可引起大量發(fā)光粒子產(chǎn)生受激輻射，并產(chǎn)生大量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同的光子。這種現(xiàn)象稱受

5、激輻射光放大。,由于受激輻射產(chǎn)生的光子都屬于同一光子態(tài)（振動(dòng)方向、頻率、位相），因此它們是相干的。,3.受激吸收,處于低能級(jí)E1上的原子在外來頻率的光子的作用下，吸收一個(gè)能量為hn的光子的過程，以一定的幾率從E1向E2（高能級(jí)）躍遷。受激吸收是受激輻射的逆過程。,hn=E2-E1,,,n2A21------------由于自發(fā)輻射由E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)的原子數(shù)n2B21rn----------由于受激輻射由E2能級(jí)躍遷到E1能級(jí)的

6、原子數(shù)n1B12rn----------由于受激吸收由E1 能級(jí)躍遷E2到能級(jí)的原子數(shù),二能級(jí)系統(tǒng)：,E2-E1=hn,激光器的三個(gè)要素,（1）能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)。常用的工作物質(zhì)有紅寶石、氣體、液體、固體、半導(dǎo)體等。,（2）功率足夠的激勵(lì)源。一般有電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。,（3）諧振腔。,激光器的結(jié)構(gòu),激光器主要組成部分有：工作物質(zhì)、激勵(lì)源和光學(xué)諧振腔。,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),E1,E2,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),,E2,E1,E2,

7、1）閾值特性典型的半導(dǎo)體激光器如下圖所示,閾值電流,,半導(dǎo)體激光器的工作特性,P―I特性,半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith。當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當(dāng)注入電流超過閾值，器件進(jìn)入受激輻射狀態(tài)時(shí)，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。,由于這兩個(gè)正負(fù)電荷區(qū)域的存在，出現(xiàn)了一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。,半導(dǎo)體光源原理簡(jiǎn)介,在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，出現(xiàn)了電子從P區(qū)

8、向N區(qū)移動(dòng)、空穴從N區(qū)向P區(qū)移動(dòng)的與擴(kuò)散相反的漂移運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)使P區(qū)與N區(qū)出現(xiàn)勢(shì)壘，阻止電子從N區(qū)向P區(qū)的擴(kuò)散。 開始時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，但隨著內(nèi)建電場(chǎng)的加強(qiáng)，勢(shì)壘的增高，漂移運(yùn)動(dòng)也不斷加強(qiáng)，最后漂移運(yùn)動(dòng)完全抵消了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，宏觀上沒有電流流過PN結(jié)。如下圖：,半導(dǎo)體光源原理簡(jiǎn)介,平衡態(tài)時(shí)PN結(jié)中的能帶圖,,,pn結(jié)中的能帶圖,P,N,如果PN結(jié)外加一個(gè)足夠大的正向偏壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電

9、場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。 N區(qū)的電子及P區(qū)的空穴會(huì)克服內(nèi)建電場(chǎng)的阻擋作用，穿過結(jié)區(qū).,電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，如下圖：,,光伏效應(yīng),半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí),林 碩 E-mail: linshuo_pv@163.com,,,,EC,EF,

10、EV,E~k,E~x,直接禁帶半導(dǎo)體（GaAs），間接禁帶半導(dǎo)體（Si）,對(duì)任何半導(dǎo)體材料均有下式成立: 式中,ni是相應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中的本征熱生載流子濃度ni只和半導(dǎo)體的材料類型（例如Si, GaAs)和溫度有關(guān)。,Nc,Nv為導(dǎo)帶和價(jià)帶的態(tài)密度,在外電場(chǎng)E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。定義電子遷移率和空穴遷移率：,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：,第二章,第三章,朗伯定律（光吸收定律）：,電致折射率的變化：P55~66,習(xí)題（P

11、83）:2.3，2.4,瑞利散射：發(fā)生的條件是光波長遠(yuǎn)大于分子的線度。,大氣中瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：,原理：當(dāng)光線入射到不均勻的介質(zhì)中，如乳狀液、膠體溶液等，介質(zhì)就因折射率不均勻而產(chǎn)生散射光。,sm為瑞利散射系數(shù)(cm-1)，N為單位體積中的分子數(shù)(cm-1),A為分子的散射截面,對(duì)比拉曼-納斯衍射和布拉格衍射：,1.拉曼-納斯衍射成立條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場(chǎng)傳播方向)，聲光互作用長度L較短時(shí)

12、 布拉格衍射：當(dāng)超聲波頻率較高，光束與 聲波波面以一定的角度斜入射，聲光互作用長度L較長時(shí)2.拉曼-納斯衍射可以產(chǎn)生多級(jí)衍射光；布拉格衍射由于各高級(jí)衍射光互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+1級(jí)（或-1級(jí)）衍射光,布拉格條件,1、同一鏡面上任意兩點(diǎn)的貢獻(xiàn)應(yīng)同相 (圖2-14 a),2、相鄰兩鏡面的反射光的相位應(yīng)該相同（圖2-14 b）,布拉格方程,光程差EF+EG等于光波波長的整數(shù)倍,式中，qi= qd=qB，稱為布拉格角,,(Ds—

13、—光電導(dǎo)),第四章,光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系i＝f(P)，稱為探測(cè)器的光電特性。,R i和R u分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度,靈敏度R定義為這個(gè)曲線的斜率，即,(線性區(qū)內(nèi)) (安/瓦),(線性區(qū)內(nèi)) (伏/瓦),靈敏度(積分靈敏度),量子效率：,光伏效應(yīng),,單晶硅太陽電池1.最高效率:24.7%2.間接禁帶：吸收系數(shù)比較小，所以厚度比較長3.成本相對(duì)GaAs太陽電池比較低，主要在陸地上使用GaAs