光電器件課件第一章

光電器件課件第一章光電器件是將光電效應(yīng)作為基礎(chǔ)，通過微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的制備，在特定工作條件下實(shí)現(xiàn)將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)并輸出的器件。光電器件簡介定義光電器件是指將光學(xué)能量轉(zhuǎn)化成電能量或?qū)㈦娔芰哭D(zhuǎn)化成光學(xué)能量的器件。優(yōu)點(diǎn)光電器件具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、安裝方便、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量、顯示、光電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。發(fā)展歷程20世紀(jì)初，基于內(nèi)光電效應(yīng)的研究開展，逐漸發(fā)展出光電效應(yīng)管。光電器件的基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)構(gòu)是光電器件最常用的結(jié)構(gòu)，由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過擴(kuò)散或蒸鍍?cè)谝黄鹬瞥伞９怆姸O管結(jié)構(gòu)由PN結(jié)和兩個(gè)電極組成，通過光照射PN結(jié)，使PN結(jié)產(chǎn)生有光電效應(yīng)產(chǎn)生電流。CCD結(jié)構(gòu)由大量的光電二極管組成，用于圖像采集和處理。光纖結(jié)構(gòu)由光纖芯、包層和護(hù)套組成，用于光信號(hào)的傳輸。光電器件的工作原理1內(nèi)光電效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生光生載流子的現(xiàn)象。2外光電效應(yīng)光照射到表面金屬或半導(dǎo)體-金屬接觸面上，使金屬或接觸層中電子被激發(fā)而逸出并變成電流。3光吸收在半導(dǎo)體材料中吸收光機(jī)能，電子被提高到傳導(dǎo)帶中，產(chǎn)生電流。4內(nèi)光電效應(yīng)在特定的電場(chǎng)或光照射下，光生載流子被分離加速運(yùn)動(dòng)，形成電流。光電器件的分類按工作原理分類內(nèi)光電效應(yīng)器件外光電效應(yīng)器件光吸收器件內(nèi)光電效應(yīng)器件按功能分類光電轉(zhuǎn)換器件光電探測(cè)器件光電放大器件光電開關(guān)和電光調(diào)制器件按材料分類硅光器件砷化鎵光器件硒化鋅光器件紅外探測(cè)器件光電子學(xué)的歷史11839年法拉第發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的原理。21873年史密斯發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)物理學(xué)定律。31905年愛因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)理論，奠定了光電子學(xué)之基礎(chǔ)。41948年夏諾基于PN結(jié)制作照射計(jì)量器。51958年西默斯、泰特利共同發(fā)明集成電路。61985年米耶爾首次觀察到太赫茲波。72004年太赫茲暴發(fā)光源的出現(xiàn)，為光電子學(xué)的研究帶來了新興的技術(shù)支持。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的特性P型半導(dǎo)體指雜質(zhì)原子被摻入到純凈的硅晶體中，使硅晶體中空穴濃度均勻的材料。N型半導(dǎo)體指雜質(zhì)原子被摻入到純凈的硅晶體中，使硅晶體中電子濃度均勻的材料。PN結(jié)的基本特性正向工作狀態(tài)當(dāng)PN結(jié)正極連接于正電源，負(fù)極連接于負(fù)電源，外加電場(chǎng)越過PN結(jié)，使得載流子向PN結(jié)中心聚集。反向工作狀態(tài)當(dāng)PN結(jié)正極連接于負(fù)電源，負(fù)極連接于正電源，電場(chǎng)會(huì)使少數(shù)載流子受勢(shì)阱束縛在PN結(jié)，形成空間電荷區(qū)。光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理圖例光電二極管由PN結(jié)和兩個(gè)電極組成，相當(dāng)于一個(gè)同時(shí)具有光電轉(zhuǎn)換和整流特性的器件。應(yīng)用在遙控器，照相機(jī)和電腦鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中廣泛使用，也可以用于測(cè)量光強(qiáng)度、光譜分析和紅外測(cè)溫等。性能參數(shù)主要包括響應(yīng)時(shí)間、噪聲、穩(wěn)定性、輸出電流等。紅外光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作原理1熱電偶式探測(cè)器利用熱電偶檢測(cè)紅外線輻射能力作為敏感元件，實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2元件式探測(cè)器利用選定材料的內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)作為光電轉(zhuǎn)換的原理，外輔以光學(xué)聚焦的辦法制成。3攝像機(jī)式探測(cè)器利用紅外光成像攝像機(jī)來探測(cè)紅外光信號(hào)，并將其通過彩色攝像頭轉(zhuǎn)化顯示出來。光電轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)由光電二極管、電容器和電荷放大器構(gòu)成。工作原理將光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化成電磁波信號(hào)，再將其放大后經(jīng)過處理，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸出。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于電視、醫(yī)學(xué)影像、機(jī)器視覺、安檢等領(lǐng)域。光電耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理圖例光電耦合器件是利用光電二極管和光敏三極管，將輸入和輸出電路隔離，可以根據(jù)不同的信號(hào)類型分為模擬輸入輸出型、數(shù)字輸入輸出型和復(fù)合型。應(yīng)用用于電力控制、適配器和充電器、家庭電器、軍工電子、通訊電子等領(lǐng)域。性能參數(shù)主要包括耦合速度、線性范圍、隔離電阻、耐熱性等。光電晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理1結(jié)構(gòu)由照射區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)和源區(qū)等四個(gè)部分構(gòu)成。2工作原理在基區(qū)激發(fā)光電載流子，加上電極施加電場(chǎng)，從而引起漂移流，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。3應(yīng)用用于高速數(shù)字和模擬電路、通訊系統(tǒng)、測(cè)量儀器等領(lǐng)域。4性能參數(shù)主要包括分辨時(shí)間、輸出電壓與光功率關(guān)系、響應(yīng)時(shí)間等。光電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)由通道、源和漏極及光控結(jié)構(gòu)組成，與MOS場(chǎng)效應(yīng)管很相似。通道是由光生或光誘導(dǎo)電荷形成的導(dǎo)電通路。工作原理在光控區(qū)間，同時(shí)存在一個(gè)光生局部或電場(chǎng)誘導(dǎo)的載流子，根據(jù)電場(chǎng)控制原理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通道電阻的控制。應(yīng)用領(lǐng)域用于數(shù)字、模擬、開關(guān)和放大等領(lǐng)域。光電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理圖例由半導(dǎo)體材料、電極和外殼構(gòu)成，工作時(shí)的電壓以及外部光源對(duì)其性能影響很大。應(yīng)用用于電子測(cè)量、光電自動(dòng)控制等領(lǐng)域。性能參數(shù)主要包括響應(yīng)時(shí)間、暗電阻、光照導(dǎo)通電阻等。光電纜的應(yīng)用和特點(diǎn)定義光電纜是指在光纜中，光信號(hào)和電信號(hào)可以在同一根導(dǎo)線中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N工作方式。應(yīng)用用于音視頻傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、光網(wǎng)絡(luò)傳輸。特點(diǎn)抗外部干擾，