光电器件讲义

1光电器件与系统课程介绍教材：自编讲义；先修课程：模拟、数字电子技术、光学、光电子学、固体电子学。参考书：•《光电子技术》，梅遂生，国防工业出版社，2008•《光电子技术》姚建铨，于意仲主编，高等教育出版社，2006•《光纤通信系统》，顾皖仪，北京邮电大学出版社，2006•《光电子器件和组件》，黄章勇编著，北京邮电大学出版社，2001课程目录第1章半导体发光器件和太阳能光伏技术--------------3§1半导体能带理论§2光源概述§3LED照明技术§4驱动电源技术§5太阳能光伏技术第2章激光技术及应用--------------14§1激光原理和谐振腔技术§2半导体激光器§3激光光盘存储和半导体存储§4激光测距和激光扫描§5激光在军事领域的应用§6激光在工业领域的应用第3章光纤通信器件--------------25§1光纤特性和光纤通信技术简介§2光有源器件§3光无源器件§4光纤光栅器件第4章光电转换与检测及成像器件--------------35§1光纤传感器§2光电成像器件§3图像信号采集方法§4红外探测与成像技术第5章光电显示技术--------------46§1显示技术基础§2LED显示屏§3液晶显示§4触摸屏§5投影显示技术一光电技术的主要应用方向1照明：白炽灯-气体放电灯-LED灯照明技术的发展使人类脱离了黑夜的限制，大大延长了活动时间，从时间的意义上来说就是延长了人的寿命。从白炽灯到气体放电灯的进步，主要是发光效率的提高，也是电气时代进入到电子时代的主要标志之一。在1950年晶体管发明以后就迅速地取代真空电子管，而当今还在普遍使用的气体放电灯，包括荧光灯和高压汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯等各种电光源，可以说是迄今为止还在作为主流产品使用的“真空管”（虽然其内部充有少量惰性气体，它们具有玻璃外壳、阴极发射电子等真空电子管的主要特征）。发光二级管（LED）昀初只能作为指示和单色显示光源，随着1990年代蓝光LED发明且性能迅速提高，基于蓝光LED芯片的白光照明光源的流明光效现在可以超过其它所有光源，同时具有超长寿命。随着LED照明技术的发展，气体放电灯这一族昀后的真空器件也将被固态器件LED所取代。2太阳能光伏技术：多晶硅、单晶硅、砷化镓太阳能板，昀大功率控制23显示：CRT、LCD（STN、TFT、触摸屏）、LED、PDP、OLED；投影技术：LCD投影、DLP投影、LED投影4光电信息设备光电鼠标、激光打印机、扫描仪和光驱（也包括DVD播放机）等多种计算机外围信息设备都是光电技术发展的产物，并且还在不多获得新的技术进步，如光盘光存储容量，由近红外激光CD光盘到红光DVD光盘乃至近年出现的Bu-Ray蓝光光盘，容量由700MB到4.7GB及25GB的增加，都归功于半导体激光技术的进步。5探测与成像：CCD、CMOS图像传感器、夜视技术激光技术：激光打印、测距、扫描、加工（工业领域和微电子应用）、激光医疗、激光雷达、激光制导和激光武器光通信技术：光纤和各种光器件、光发射、光调制、光检测技术。二光电子技术与电子技术的关系区别：电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。光电子技术则是同时研究光与电、即光子或光波与电子的相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。光电子技术的优越性尤其体现在信息技术领域：（1）光波的频率更高，能够传输的信息容量更大；（2）光波在介质中传输具有一定的优势；（3）光电子信息技术尤其是在激光出现以后取得巨大的进展（光通信、光存储）。联系：电能－光能转换：光源需要驱动和控制电路才能发光，在信息领域则需要进行光电信号处理。目前大量的信息处理仍然是以电子技术为基础，在发射和接收过程中仍需要电信息与光信息之间的转换、放大；（在传输中已经可以脱离光电转换）三光电子技术领域的各个环节光电行业的底层技术——光电材料与器件1定义光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光信号的材料，光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。2光电子技术的各个环节系统——设备——模块——器件——材料：其中系统由设备在一定的标准协议下构建，设备由多个功能模块在一定的软件环境下运行，模块由适合于指定参数要求（电流、电压、响应速度或频率）的器件组成，器件则由一定性能（化学、电学、光学和力学性能指标）的材料来制成。3光电材料：整个光电产业的基础和先导主要的光电材料包括半导体光电材料（III-V族）、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。III-V族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，例如AlGaAs、InGaAsN等。晶格常数、禁带宽度和吸收/发射光波长是决定化合物半导体材料光电属性的3个昀重要的参数。目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基，InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。4光电器件由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、高清晰、超薄和超轻的不断要求，推动着光电产业的持续高速发展，光电新产品和新技术不断涌现。光电子技术的重大进步都是由新器件和材料的产生而造成的，激光器、光纤、全光网络的各种器件（半导体激光器、EDFA、OXC、OADM）。还有激光打印机、数码相机、VCD-DVD等。没有这些器件或者不了解这些器件，就难以组装高性能的光电设备和搭建高性能的光电系统。5光电子集成电路与光子集成电路——集成光学将光电器件和电子器件在同一块衬底上进行单片集成，构成所谓光电子集成电路（OEIC），以减小互联分布参数的影响，并构成具有完整功能的集成模块，一直是人们努力追求的目标。光电集成一方面可以提高了系统的工作频率（在2.5Gbit/s以上的系统中，单片集成的优势是十分明显的），另一方面也可提高系统集成的可靠性，还带来降低系统集成成本和减小体积等一系列好处。3第一章半导体发光器件§1半导体能带理论一能级与能带z自由电子的能量为电子的动能，E＝p2/2m，可以认为是连续变化的；z在一定势场作用下的电子，如在原子核周围的电子，其能量只能取一些分离的值，即量子化的，这些分离的能量值称为能级；z半导体晶体中电子的能量状态处于以上两者之间，即能量在一定范围内准连续分布，而禁止处于其它一些能量值区间，在能量与空间位置或动量关系的坐标上呈带状分布，故称为能带。二半导体材料半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中昀重要的材料之一。半导体材料的类型：z元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)z化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等1元素(elements)半导体硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。z20世纪50年代初期，锗曾是昀主要的半导体材料；z60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。2化合物(compound)半导体材料类别：z二元化合物半导体：由两种元素组成。z三元化合物半导体：由三种元素组成。z多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：zIV－IV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）；zIII-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）等；zII-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等；zIV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓（Ga）及V族元素砷（As）所组成的合金半导体AlxGa1-xAs即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyP1-y是由磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）及砷化镓（GaAs）所组成。化合物半导体的优势与不足：z许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓（GaAs），主要用于高速光电器件。z与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。z化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。现今通信系统容量已高达10Tb/s以上，如单信道实时传输，则每一个信息码的时间宽度仅为0.1ps。面对如此高速的信息流，与之匹配的电子计算机的实时处理速率也应达到相应的水平。然而以电子作为信息载体的微电子芯片互连功能却受到了“瓶颈”效应的限制，其响应速度难以超越ns，可见二者相差有4个量级。因此在未来Si基超快微电子系统芯片中，用光子载体替代电子载体实现高速互连，将是突破“瓶颈”限制的重要可行途径。但Si属间接带隙材料，发光效率比III-V族化合物半导体低5个量级，而且带间复合寿命长达ms量级。因此长期以来，对Si基的高效发光一直不抱奢望。化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。三直接带隙和间接带隙半导体直接带隙半导体：4下图左为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶部与导带昀低处发生在相同动量处(p＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。间接带隙半导体：对硅而言，其动量-能量曲线中价带顶部发生在p＝0时，但导带的昀低处则发生在p＝pC。因此，当电子从硅的价带顶部转换到导带昀低点时，不仅需要能量转换(≥Eg)，也需要动量转换(≥pC)。这类半导体称为间接带隙半导体。图1-1：直接带隙与间接带隙半导体能量与动量的关系曲线三费米分布函数(Feimidistributionfunction)一个电子占据能量E的能态的几率)exp(11)(kTEEEFF−+=其中k是玻尔兹曼常数，T是以开(Kelvin)为单位的绝对温度，EF是费米能级。费米能级表示电子所达到的统计能量位置，电子、空穴浓度分别为n、p时半导体的费米能级为：)ln(2pnkTEEiF+=式中Ei为导带底和价带顶的中部位置，处于禁带中间。显然，n型半导体的费米能级接近导带的底部，p型半导体的费米能级更低，接近价带的顶部。费米能级是半导体器件设计的重要依据，不同半导体结合时它们的费米能级始终在同一水平。如一个p-n结的能带结构如图：图1-2：p-n结能带结构示意图§2光源概述一电光源的主要性能指标：1光通量：表征光源的发光能力，以流明值（lm）表示；2光效：灯发出的光通量与它消耗的电功率之比（lm/W）；3显色性：能够真实体现照明对象的颜色；4寿命：有效寿命和平均寿命。01234gE价带[111][100]导带能量/eVE0.31∆＝p动量2−1−01234gE价带[111][100]导带能量/eVSip动量5二热辐射光源：普通白炽灯：平均光效：只有13lm/w左右；平均寿命：约为1000小时；通电即亮，显色性好，便于控光。卤钨灯（碘钨灯、溴钨灯）：充入卤钨化合物，高温下蒸发在灯丝处的析出钨。用耐高温的石英玻璃做罩，寿命延长至5000小时，光效提高，显色性更好，体积小、亮度高、功率大。用于远红外灯、放映用灯、舞台照明、照相。三气体放电光源借助两极之间气体激发而发光，为冷光源。1荧光灯：镇流器为一电感线圈，启动器在灯管导通之前交替合断，通过镇流器电感线圈产生瞬间高压，使灯管内气体被击穿并离化从而导通，这时镇流器则起到限流的作用，维持灯管安全稳定工作。图1-3：荧光灯接线图特点：（1）光效高，60~100lm/W。镇流器消耗电能占20%。（2）光色好，可通过控制荧光粉，控制其显色，适应多种场所需要。（3）表面温度低。