光电子器件基础

---光电转换的桥梁徐征北京交通大学理学院光电子技术研究所徐征博士教授博士生导师北京交通大学光电子技术研究所光学学会光电专业委员会委员中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会理事《液晶与显示》杂志编委《光电子·激光》杂志编委《光谱学与光谱分析》杂志编委《现代显示》杂志编委国际SID学会会员研究方向光电子材料及器件，平板显示技术，太阳能电池，真空及薄膜技术等方面的科研与开发工作。北京交通大学理学院光电子技术研究所光电转换的桥梁光电子学光电子器件光电子材料电子学光学电阻电容二极管三极管等等凸透镜、凹透镜光学系统光的传播等等北京交通大学理学院光电子技术研究所本门课程的主要目的是介绍各类光电子器件的基本原理、基本特性及各种应用。主要包括以下内容：概述光电探测器件光源器件光伏器件光传输器件显示器件光控制器件光电子器件光存储器件北京交通大学理学院光电子技术研究所电磁波谱及主要产生方式北京交通大学理学院光电子技术研究所电磁波谱频率能量波长无线电波微波红外线紫外线可见光X射线r射线北京交通大学理学院光电子技术研究所光学光谱区远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）10nm~200nm200nm~380nm380nm~780nm780nm~2.5m2.5m~50m50m~300m北京交通大学理学院光电子技术研究所可见光谱北京交通大学理学院光电子技术研究所光学是一门经典科学，1960年激光的诞生使古老的光学获得了新的活力。激光在信息电子技术中的应用，是光学与电子学进一步相互结合而形成了一门新兴的交叉学科—光电子学，与之相应的是光电子材料和光电子器件。光学与电学都是历史悠久的学科，光与电打交道可分为三个回合：19世纪60年代，Maxwell提出：光也是电磁波；19世纪末－20世纪初，光电效应的实验和理论发展。1887年赫兹（Hertz）在气体放电实验中发现，当用紫外光照射在电极上时，将加速两电极间的放电。雷纳德（Lenard）用紫外光照射阴极表面，引起了电子发射。这即光电效应；1960年第一台激光器的诞生，它是光学发展史上的一项重大的革命。也是20世纪最主要的重大发现之一。它将人类带入了一个光电子时代。光电子器件发展简史第一回合第二回合第三回合北京交通大学理学院光电子技术研究所光电子技术的大量应用虽然是20世纪50年代中以后的事，但历史可追溯到100多年以前。最早出现的光电子器件是光电探测器，而光电探测器的物理基础是光电效应的发现和研究。1873年，英国W.R.史密斯发现了硒的光电导性。1888年，德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使金属发射带电粒子，但无法解释。1890年，P.勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了外光电效应的实质。1929年，L.R.科勒制成银氧色光电阴极，出现了光电管。1939年，苏联V.K.兹沃雷金制成实用的导体材料制光电倍增管。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所20世纪30年代末，硫化铅红外探测器问世，红外线可探测到3µm辐射。40年代初,用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计。50年代中期，可见光波段的硫化硒、硫化镉光敏电阻荷短波红外硫化铅光电探测器投入使用。50年代末，美军将探测器用于代号为响尾蛇的空—空导弹，取得明显作战效果。1958年英国劳森等发明碲镉汞红外探测器。在军事需求牵引和半导体工艺技术驱动下，红外探测器自60年代以来迅速发展。直到20世纪90年代，美、英、法等国大力发展了中波（3-5µm）和长波（8-14µm）红外多元器组件，广泛用于夜视、侦查、观瞄、火控和制导系统。1992年西方各国又用成熟起来的红外平面阵列在各种成成像技术中取代多元探测器组件。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所激光器是光波段的相干辐射源。理论基础是爱因斯坦在1916年奠定的：当时他提出了光的发射和吸收可以经过受激吸收、受激辐射和自发辐射等三种基本过程的假设。1954年，美国C.H.汤斯才根据这个假设，以致冷的氨分子作为工作物质，研制成微波激射器。稍后，苏联H.T.巴索夫和A.M.普罗霍洛夫研制成一氟化铯为工作物质的微波激射器。1958年，C.H.汤斯和A.L.肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和可见波段，引入了激光的概念。1960年，美国T.H.梅曼研制成红宝石激光器——世界上第一台激光器。这个突破在世界上引起了轰动，并形成了连锁反应，在短短的几年之内，氦氖激光器、半导体激光器、钕玻璃激光器、氩离子激光器、CO2激光器、化学激光器、染料激光器等相继出现。光电子器件发展简史激光器是光波段的相干辐射源。理论基础是爱因斯坦在1916年奠定的：当时他提出了光的发射和吸收可以经过受激吸收、受激辐射和自发辐射等三种基本过程的假设。北京交通大学理学院光电子技术研究所同时，几乎就在第一台激光器诞生之时起，人们就开始探索激光的应用，而且激光的军事应用被优先考虑，投入了大量的人力物力和财力。1961年，第一台激光测距议问世，并很快推广应用，随着技术的进步，不断更新换代。70年代初，美军在侵越战争中用激光制导炸弹依据摧毁了曾用普通炸弹付出很大代价都没有炸毁的一座桥梁。同时美军在越南战争中使用了激光致盲武器。近20多年来，激光器的各种发展很快，其波长分布在从软X射线道远红外的各个波段，最高的峰值功率达到1014W量级，最高平均功率达兆瓦级，最脉宽为10-16s量级，最高频率稳定度达10-15，调频范围从200nm到4µm的波段。同时，激光器的结构、工艺日趋成熟，稳定性、可靠性和可操作性显著改进，改成由战士、工人、医生和其他专业科技人员等稍加训练即可运用自如的仪器设备或工具，而不再需要专业工程师精心操作维护了。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所光纤技术的发展起源淤1966年。当年英籍华人高锟等提出了低损耗光学纤维的可能性，为光纤通讯及应用开辟了道路。1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和温室连续工作激光二极管，使光纤通信成为可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。自此光纤通信迅速发展。80年代初，日本、美国、英国相继建成全国干线光纤通信网，并决定干线通信不再新建同轴电缆。90年代初，光纤放大与光波分复用两种技术结合，将充分发挥世界上已建成的超过1×107km单模光纤长途通信网的频带潜力，使其传输能力至少提高一个量级。传输能力这样大的提高，将使网络的功能和灵活操作性大为改善。光纤通信已从简单的替代电缆通信阶段过渡到革命性发展的阶段。光纤传感技术起源于80年代初，传感压力、张力、温度、角速度等各种物理量的光强传感器陆续开发出来。90年代初中期，光纤激光器、光纤光栅等光纤元器件崭露头角。光纤技术呈现持续蓬勃发展局面。光纤技术的发展起源淤1966年。当年英籍华人高锟等提出了低损耗光学纤维的可能性，为光纤通讯及应用开辟了道路。光纤传感技术起源于80年代初，传感压力、张力、温度、角速度等各种物理量的光强传感器陆续开发出来。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所光存储技术的历史较短，而发展很快。1972年，美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。1982年，飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。由于激光唱机（CD）进入家庭和只读式光盘存储器(CD--ROM)同个人计算机结合，VCD(CD视盘)──其全称为Video─CD，它是1993年下半年才付诸实用的新技术，也称CD视盘。VCD的视频压缩和解码技术是由美国人发明的，通过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到1.2G信息容量左右的光盘中去，并通过数字解码技术把压缩的电子信号重新播放出来。但世界上第一台家用VCD机（实验用机）却是由中国安徽现代电视技术研究所于1992年12月研制成功的。1993年9月取名“万燕”的第一代VCD机（产品）面世。短短几年VCD市场即达到巅峰状态。另外，VCD盘也可在计算机上播放；使用在计算机上的CD视盘不仅可以存放、录像等，它还可以存放电子游戏。人们可以通过操作计算机来达到双向交流，不但能看到精彩的画面、听到动听的声音，还可以参与其中扮演角色，从而给人们带来了更大的乐趣。光存储技术的历史较短，而发展很快。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所1994年，诞生新机种DVD―全称为DigitalVideoDISK数字视频光盘机，它是从原理上来说，DVD与VCD没有本质的不同，DVD也是对电影画面进行视频压缩，将压缩的图像储存在光盘上。播放时DVD影碟机对光盘上的数字信号进行解码，还原出图像在显示器上播放。但VCD盘只能单面使用，一张盘只能储存640MK的信息，一部电影需要用2张或3张光盘才能储存；VCD的分辩率也较低，它的播放效果只不过和录像带的播放效果相近；VCD只有2个声道，播放时并不能实现真正的立体声。和VCD相比，DVD产品在各个方面有了全面的提高。DVD光盘储存的数据可以达到50G，一个DVD电影光盘可以储存多部电影，大大方便了消费者携带，也降低了光盘的生产成本；DVD产品的分辩率是VCD产品的4倍；DVD产品的电影具有8个声道，DVD和VCD相比，播放效果上有了质的飞跃。因而形成巨大市场，光存储技术飞速发展，不断更新，形成了一个可以同光纤通信匹敌的光存储产业。光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所平板显示器技术以液晶显示器发展最快。液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性。1964年，美国RCA公司发现液晶的多种光电效应：宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。等离子体显示器、场致发光显示器相继问世并不断的发展。现在，平板显示器已形成巨大的市场。光电子器件发展简史平板显示器技术以液晶显示器发展最快。液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性。北京交通大学理学院光电子技术研究所年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信、光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发展为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基础光电子器件发展简史北京交通大学理学院光电子技术研究所光电子器件发展简史以上简史表明，尽管光电效应、受激发射原理等早已被发现或提出，但相应的光电子器件的出现和发展及其应用却滞后很多，光电子器件的技术的发展已是20世纪50年代以后的事。事实上，光电子器件的发展离不开材料技术、半导体技术、微电子技术和精密仪器设备，因而只能同其他高新技术互相促进、共同发展。同时在光电子技术的领域内，各个技术分支之间也从在互相驱动，互相牵引的关系。值得指出的是，光电子技术像其他高新技术一样，始终受到军方的高度重视，军事需求成为牵引它的强大动力。北京交通大学理学院光电子技术研究所五大信息技术信息的采集－－光探测器件信息的传输－－光通信器件信息的存储－－光存储器件信息的显示－－光电显示器件信息的处理－－光电子组件21世纪信息时代12345北京交通大学理学院光电子技术研究所随着信息产业的飞速发展，全球的光电子产业市场增长率一直保持在两位数势头，广阔的市场前景使得光电子器件的发展，正在引起一场超过电子、微电子技术的产业革命。尤其是激光器件及其应用设备、显示器件与显示屏、红外探测器和各种成像设备、光纤及光通信设备、光存储和多媒体技术的发展，均涉及到多种创新领域，大大促进了计算机设备、网络通信设备、彩电、DVD、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、数码相机等新型信息光电子产品的发展。使我国进入一个全新的后PC时代。目前，中国已成为光电子产品的重要市场，为今后的发展带来了良好的机遇。北京交通大学理学院光电子技术研究所光电子器件的分类光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件相干光源非相干光源用激光非线性光学器件照明光源显示光源信息处理用光源光学元件（棱镜、透