材料的光電特性

材料的光電特性第1頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光電效應歷史

光電效應由德國物理學家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對發(fā)展量子理論起了根本性作用。1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的。當時，赫茲發(fā)現(xiàn)，兩個鋅質(zhì)小球之一用紫外線照射，則在兩個小球之間就非常容易跳過電花。大約1900年，馬克思?布蘭科（MaxPlanck）對光電效應作出最初解釋，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）這一理論。他給這一理論歸咎成一個等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一個常數(shù)，統(tǒng)稱布蘭科常數(shù)（Planck'sconstant），而f就是光源的頻率。也就是說，光能的強弱是有其頻率而決定的。但就是布蘭科自己對于光線是包裹式的說法也不太肯定。1902年，勒納（Lenard)也對其進行了研究，指出光電效應是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦26歲時提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。他進一步推廣了布蘭科的理論，并導出公式，Ek=hf-W，W便是所需將電子從金屬表面上自由化的能量。而Ek呢就是電子自由后具有的勢能。第2頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光電效應光電效應是指在光照照射后釋放電子的效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光電效應是光與材料的核外電子之間的相互作用。只有當入射光的頻率高于材料的極限頻率時，材料才會發(fā)射光電子，產(chǎn)生光電子。光電效應是瞬時效應，一經(jīng)光線照射，立刻產(chǎn)生光電子。第3頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因施坦的光電效應方程愛因斯坦認為：從一點發(fā)出的光是以頻率為v，以hv為能量單位的形式一份一份的向外輻射。光電效應則是具有能量為hv的一個光子作用于金屬中的一個自由電子，并把它的全部能量傳遞給這個電子造成的。設電子逃離金屬表面耗費的能量為W0，則，

E=hv-W0h為普朗克常數(shù)，它的公認值是h=6.626x10^-34j.s第4頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光電效應原理圖第5頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光電材料光電材料是指用于制造各種光電設備（主要包括各種主、被動光電傳感器光信息處理和存儲裝置及光通信等）的材料，主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、光電顯示材料、非線性光學材料等。第6頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽能電池太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導體裝置。太陽能的核心—pn結是將很薄的n型層（稱為發(fā)射極）配置在入射光的外側而將主要產(chǎn)生光電流的p層（稱為基極）配置在內(nèi)側的Pn結二極管。太陽能電池產(chǎn)生光生電動勢的一個基本條件是；產(chǎn)生光電流的載流子濃度增加，半導體的電導率增加。第7頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽光輻射主要是以可見光為中心，分布于0.3微米至幾微米光譜范圍，對應光子能量0.4eV~4eV之間，總體來說，理想太陽能電池材料需要具備：能帶在1.1eV~1.7eV之間(對應光波長范圍0.73~1.13μm)直接能帶半導體組成材料無毒性可利用薄膜沉積技術且可大面積制備有良好的光電轉(zhuǎn)換效率具有長期穩(wěn)定性第8頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月硅太陽能電池第9頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽能電池可分為：1、硅太陽能電池；2、以無機鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的太陽能電池；4、納米晶太陽能電池等。第10頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月硅太陽能電池當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子匯擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個有N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，從而形成PN結。當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。下面就是這樣的電源圖。第11頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月GaAs太陽能電池第12頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月GaAs是典型的III-V族化合物半導體材料，具有直接能帶隙，帶隙寬度為1.42eV（300K），可以良好的吸收太陽光，因此，是很理想的太陽能電池材料。第13頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月單結也只能吸收和轉(zhuǎn)換特定波長范圍內(nèi)的太陽光，其理論效率也只有27%，為提高能量轉(zhuǎn)換效率，可以將太陽光光譜分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按帶隙的不同從大到小的順序從上到下疊合起來，選擇性吸收和轉(zhuǎn)換太陽光光譜的不同子區(qū)域，這就有可能最大限度地將光能變成電能，這樣的電池結構就是疊層電池。第14頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光電顯示材料發(fā)光顯示材料：利用光發(fā)射直接進行顯示。受光顯示材料：利用電場作用下材料光學性能的變化實現(xiàn)顯示，通過反射、散射、干涉等現(xiàn)象，對其它光源所發(fā)出的入射光進行控制，即通過光交換進行顯示。第16頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月顯示器件的主要特征亮度發(fā)光效率對比度分辨率灰度響應時間，余暉時間壽命和穩(wěn)定性色彩視角工作電壓和功耗第18頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1亮度：指顯示器件的發(fā)光強度。它是指垂直于光束傳播方向單位面積上的發(fā)光強度，單位為cd/m2。發(fā)光式顯示器件和受光式液晶顯示器件均采用亮度參數(shù)。但受光式、反射式顯示器件以反射光的強度表示明亮度。2發(fā)光效率：指顯示器件輻射出的單位能量(W)所發(fā)出的光通量，單位為lm/W。一般器件0.1～1.5lm/W，真空熒光顯示1～10lm/W。3對比度：表示顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比。在室內(nèi)照明條件下對比度達到5：1，基本上滿足顯示要求。4分辨率：包括像元密度和器件包含的像元總數(shù)。CRT分辨率達到100～110ppi(每英寸像元數(shù))時，再提高有難度，因受電子束聚焦有限性和發(fā)光粉顆粒及發(fā)光效率等因素的影響。LCD分辨率已達到300ppi，還有潛力再提高。5灰度：表示屏上亮度的等級。以亮度的倍的發(fā)光強度的變化劃分等級?；叶仍礁?，圖像層次越分明，彩色顯示中顏色更豐富，圖像更柔和。6響應時間、余輝時間：響應時間表示從施加電壓到顯示圖像所需要的時間。切斷電壓后到圖像消失所需要的時間稱為余輝時間。發(fā)光器件和鐵電液晶響應時間一般為微秒量級。視頻圖像顯示要求響應時間和余輝時間加起來小于50ms才能滿足幀頻的要求。第19頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月7壽命和穩(wěn)定性：發(fā)光顯示器件初發(fā)始亮度衰減一半所需時間稱為半壽命，一般即指壽命。受光顯示器件的主要顯示指標保持正常的時間為使用壽命。同時濕度、溫度、紫外光等環(huán)境狀態(tài)和穩(wěn)定性是很重要的參數(shù)。8色彩：顯示顏色分為黑白、單色、多色、全色。顯示顏色是衡量顯示器件性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。發(fā)光顯示以紅光、綠光、藍光三基色加法混色得到CIE色度圖舌形曲線上任意顏色。復合光光譜豐富程度取決于三基色發(fā)光光譜純度和飽和度以及三基色發(fā)光像元的灰度級別。CRT、LCD及PDP已可顯示幾百萬種顏色，達到全色顯示要求。液晶顯示色彩靠背照明冷陰極燈白光和三基色濾光膜相匹配得到CIE色度圖舌形曲線飽和區(qū)，實現(xiàn)了全色顯示。9視角：在受光式被動顯示中，觀察角度不同，對比度不同。在液晶顯示中視角問題特別突出。由于液晶分子具有光學各向異性液晶分子長軸和短軸方向光吸收不同，因而引起對比度不同，但采用多種辦法已解決了這個問題。在發(fā)光式主動顯示中幾乎不存在視角問題，因為像元就是光輻射源，光空間分布是均勻的，視角大又均勻。10工作電壓和功耗：驅(qū)動顯示器件所施加的電壓為工作電壓。工作電壓與器件消耗電流的乘積為功耗。要求工作電壓低、功耗少，并容易與集成電路匹配。第20頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月CRTLCDPDPFEDELDLED△△◎◎△○◎◎◎◎◎△○◎○◎◎◎◎×◎◎◎◎◎○◎○◎○△○◎○○△△△◎△○△△△◎○○○◎參數(shù)器件大屏幕全色視角空間分辨率對比度功耗工作電壓各種光電顯