1、,光电子技术期末复习,黄琼乐,元旦快乐,第三章 光生伏特器件,第3章 光生伏特器件,3.1 硅光电二极管,具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导体材料。利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。,硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。,1、光电二极管的基本结构,光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管
2、的原理结构图。,图3-1（b）为光电二极管的工作原理图,图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。,3.1.1 硅光电二极管的工作原理,2、光电二极管的电流方程,在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其电流方程为,（3-1）,ID为U为负值（反向偏置时）且 时(室温下kT/q0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。,当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时，,光电二极管的
3、全电流方程为,式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。,（3-2）,在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。,1.光电二极管的灵敏度,定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比。,（3-3）,显然，当某波长的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度
4、为光电二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长成正比，但是，材料的吸收系数还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。,4. 噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。,散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系,(3-6),光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为,(3-7),根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射的关系 ，得到,(3
5、-8),再考虑负载电阻RL的热噪声,(3-9),目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。,3.2.3 硅光电池,光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。,太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。,测量光电池的主要功能是作为光
6、电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。,1. 硅光电池的基本结构和工作原理,按硅光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。如图3-9（a）所示为2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。,硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3-9（b）所示为硅光电池的外形图，图中所示的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。,4.光电池的光电转换效率,光电池的输出功率与入射辐
7、射通量之比定义为光电池的光电转换效率，记为。当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定义为光电池的最大光电转换效率，记为m。显然，光电池的最大光电转换效率m为,式中是与材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。,（3-24）,第四章 光电发射器件,在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。例4-1 设入射到PMT上的最大光通量为v=1210-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增
8、级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40A/lm，若要求入射光通量在610-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？,解,(1) 首先计算供电电源的电压,根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82k，阳极电流应不小于Iamin，因此,Iamin=UO/Ra=0.2V /82 k=2.439A入射光通量为0.610-6lm时的阴极电流为IK= SKv=4010-60.610-6=2410-6A,此时，PMT的增益G应为,1.0
9、2 105,2.439 24 10 6,I a minI K,G ,由于G=，N=8，因此，每一级的增益=4.227，另外，SbCs倍增极材料的增益与极间电压UDD有， 0.2(U DD )0.7 ，可以计算出=4.227 时的极间电压UDD,0.7, 78V, 0.2,U DD ,总电源电压Ubb为,Ubb=（N+1.5）UDD=741V,(2) 计算偏置电路电阻链的阻值偏置电路采用如图4-8所示的供电电路，设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为Iam=GSKvm=1.021054010-61210-6=48.96A取IRi10 Iam，则IRi=500A,因此，电阻链的阻
10、值Ri= UDD,/,IRi=156k,取Ri=120 k，R1=1.5Ri=180 k。(3) 计算偏置根据式（4-33）输出信号电压的稳定度最,高为, 8 0.01% 0.08%,U bbU bb, n,UU,1.02 10 40 10,例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解 由于Iam=G SKVm故阴极面上的入射光通量不能超过, 6, 0.49 103 (Lm),2 1035, I am /G S K ,Vm,1.02 10 40 10,例4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过
11、多少lm？解 由于Iam=G SKVm故阴极面上的入射光通量不能超过, 6, 0.49 103 (Lm),2 1035, I am /G S K ,Vm,第七章 平板显示器件,6.2 LED显示器,一、发光二极管大屏幕显示 超高亮度红、绿、蓝LED组成平板阵列，进行大屏幕显示，已是现代化社会的一道风景。,二、有机电致发光器件OLED,LED是无机电致发光，OLED是有机 荧光材料作为发光物质，结构和发光机理上类同于无机LED器件。,（Organic light emitting diode）,ETL：电子传输层 EML：发光层 HTL：空穴传输层,有机材料,OLED发光有五个步骤：,载流子电子
12、和空穴分别从阴极、阳极注入ETL、HTL。,载流子分别从ETL和HTL向EML迁移。,载流子在EML中复合并产生激发子（Exciplex）。,激子迁移, 传递能量给发光分子，使其电子从基态跃迁到激发态。,激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。,OLED是一种高亮度、宽视角、全固化的主动发光型显示器件。主要优点：,发光亮度可达几百上万cd/m2，电视才100cd/m2 。,低电压驱动：十几V几V；功耗低。,有机材料易得，制备工艺简单，易制成大面积显示器件，可以做成能弯曲的柔软显示器。,很多有机物都可实现红、绿、蓝，易实现高分辨率的彩色显示屏。,超轻、超薄（厚度可低于1mm），响应速度是液晶 的100
13、0倍，实现精彩的视频播放大面积“薄膜电视”。,OLED制造成本低，将会逐渐取代LCD。,OLED将会成为平板显示的主流技术之一。,弯曲的柔软显示器,OLED彩色显示屏,左边：OLED显示,右边：LCD显示,6.3等离子体显示器-PDP （Plasma Display Panel）,是利用气体放电而发光的平板显示屏,气体放电 等离子体 激发气体原子辐射紫外光(UV) 激发相应荧光粉，产生红、绿、蓝可见光。,AC-PDP,DC-PDP,AC-PDP是PDP技术的主流,一、彩色AC-PDP工作原理,双基板型：对向放电式,单基板型：表面放电式,表面放电式的一种实用结构,维持电压Us,书写脉冲Uw,AC
14、-PDP的存储特性,擦除脉冲中和壁电荷Qw,AC-PDP的驱动：,气体放电 点火电压Uf,PDP的缺点：,工作电压较高（80150V），不宜在低气压环境下工作（防止充填气体膨胀）。,彩色AC-PDP最适宜于大屏幕显示，可到70以上。 是最佳的大屏幕壁挂HDTV显示器。,6.4 DLP投影显示,DLP（Digital Light Processing） 实现了最终的显示环节的完全数字化,数字微反射镜器件DMD是其核心装置。 （Digital Micromirror Device）,一、DMD的结构和工作原理,DMD是带有集成微镜部件的微电子机械光调制器，由百万个方形微镜（如1616m2）组成二维
15、阵列。,DMD芯片,每个微镜对应一个像素，微镜反射照明光，投射出去，在屏幕上形成图像。,Mirror +10 ,Mirror -10 ,CMOS,图像R、G、B二进制数据控制微铰链，微铰链控制每个镜片偏转，以通断一个像素的光。,脉冲宽度调制（PWM）技术允许10比特灰度等级再现。,二、DLP投影机系统,DMD,是一个数字光调制器，自身不发光。,为了实现彩色显示，DLP投影机有三片式、单片式、两片式等不同档次的产品。,三片式：即用三个DMD装置。每个DMD分别用R、G、B数据控制。,单片式：即用一个DMD装置。投影灯光先通过一个色轮再投射到DMD上。DLP工作在顺序颜色模式 ，利用视觉暂留作用。,双片式：即用两个DMD装置。性价比较好。,三、DLP投影显示的技术优势,完全的数字化显示，这是独有的特色。,反射显示，光能利用率高。,优秀的图像质量。DMD填充因子大于90%，称为“无缝图像”。,DLP系统可靠性很高，寿命长 。,DLP投影显示方兴未艾，已成为主流产品。其核心技术已运用到全光通信MEMS交叉连接器中。,
