光電子復習

1、Qe（輻射能）,,,,Φe (輻射通量),,Me(輻射出射度),Ie(輻射強度),Le(輻射亮度),,,(輻射照度),Ee,問題：請推導一個均勻點光源在空間一點的輻射照度與該光源的輻射強度的關(guān)系（提示根據(jù)定義）,3. 普朗克公式,黑體處于溫度T時，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：當絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值向短波方向移動。,,,,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,再如飛機尾煙的溫度為1000

3、K，其峰值輻射波長,激光的特點：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E2上，自發(fā)地向低能級E1躍遷，并發(fā)射出一個能量為hn的光子。,hn=E2-E1,對于處在高能級E2上的粒子來說，它們各自獨立地、隨機地分別躍遷到低能級E1上，發(fā)射出一個一個的光子，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E2上的原子在外來頻率的光子的“激勵”下，以一定的幾率從E2向E1（低能級）躍遷，同時放出頻率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，一個誘發(fā)光子可以使處在上能級上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個與該光子狀態(tài)完全相同的光子，這兩個光子又可以去誘發(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)生大量運動狀態(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)（振動方向、頻率、位相），因此它們是相干的。,3.受激吸收,處于低能級E1上的原子在外來頻率的光子的作用下，吸收一個能量為hn的光子的過程，以一定的幾率從E1向E2（高能級）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能級躍遷到E1能級的原子數(shù)n2B21rn----------由于受激輻射由E2能級躍遷到E1能級的

6、原子數(shù)n1B12rn----------由于受激吸收由E1 能級躍遷E2到能級的原子數(shù),二能級系統(tǒng)：,E2-E1=hn,激光器的三個要素,（1）能實現(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、半導體等。,（2）功率足夠的激勵源。一般有電激勵、光激勵、熱激勵、化學激勵等。,（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)、激勵源和光學諧振腔。,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體激光器如下圖所示,閾值電流,,半導體激光器的工作特性,P―I特性,半導體激光器存在閾值電流Ith。當注入電流小于閾值電流時，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。當注入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，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。,由于這兩個正負電荷區(qū)域的存在，出現(xiàn)了一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場。,半導體光源原理簡介,在內(nèi)建電場作用下，出現(xiàn)了電子從P區(qū)

8、向N區(qū)移動、空穴從N區(qū)向P區(qū)移動的與擴散相反的漂移運動。 同時，內(nèi)建電場使P區(qū)與N區(qū)出現(xiàn)勢壘，阻止電子從N區(qū)向P區(qū)的擴散。 開始時，擴散運動占優(yōu)勢，但隨著內(nèi)建電場的加強，勢壘的增高，漂移運動也不斷加強，最后漂移運動完全抵消了擴散運動，達到了動態(tài)平衡，宏觀上沒有電流流過PN結(jié)。如下圖：,半導體光源原理簡介,平衡態(tài)時PN結(jié)中的能帶圖,,,pn結(jié)中的能帶圖,P,N,如果PN結(jié)外加一個足夠大的正向偏壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電

9、場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。 N區(qū)的電子及P區(qū)的空穴會克服內(nèi)建電場的阻擋作用，穿過結(jié)區(qū).,電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，如下圖：,,光伏效應,半導體物理基礎(chǔ)知識,林 碩 E-mail: linshuo_pv@163.com,,,,EC,EF,

10、EV,E~k,E~x,直接禁帶半導體（GaAs），間接禁帶半導體（Si）,對任何半導體材料均有下式成立: 式中,ni是相應溫度下本征半導體中的本征熱生載流子濃度ni只和半導體的材料類型（例如Si, GaAs)和溫度有關(guān)。,Nc,Nv為導帶和價帶的態(tài)密度,在外電場E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運動。定義電子遷移率和空穴遷移率：,半導體的電導率：,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,習題（P

11、83）:2.3，2.4,瑞利散射：發(fā)生的條件是光波長遠大于分子的線度。,大氣中瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗公式：,原理：當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：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)，聲光互作用長度L較短時

12、 布拉格衍射：當超聲波頻率較高，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2.拉曼-納斯衍射可以產(chǎn)生多級衍射光；布拉格衍射由于各高級衍射光互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或-1級）衍射光,布拉格條件,1、同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相 (圖2-14 a),2、相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（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),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,,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GaAs太陽電池比較低，主要在陸地上使用GaAs