光電材料與器件期末復(fù)習(xí)題

1、光電材料與器件復(fù)習(xí)題第一章1.光電探測(cè)器：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器：載流子的注入和復(fù)合發(fā)光效應(yīng)太陽能電池：光生伏特效應(yīng)外光電效應(yīng) :在光線的作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象,光電管、光電倍增管。2.(1)原子核外電子排布能量最低原理 核外電子在原子軌道上的排布，應(yīng)使整個(gè)原子的能量處于最低狀態(tài)。即填充電子時(shí)，是按照近似能級(jí)圖中各能級(jí)的順序由低到高填充的。泡利不相容原理 在同一原子中，不可能有兩個(gè)電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)。如果原子中三個(gè)量子數(shù)相同，第四個(gè)一定不同，即同一軌道最多能容納2個(gè)自旋方向相反的電子。洪特規(guī)則 在同一亞層的各個(gè)軌道上，

2、電子的排布盡可能分占不同的軌道，并且自旋相同。（2）電子在能帶中的排布排布原則: 能量最低原理按由低到高的順序填充各能級(jí)。泡利不相容原理同一能級(jí)最多容納2個(gè)自旋方向相反的電子。3.費(fèi)米能級(jí)EF是反映電子在各個(gè)能級(jí)中分布情況的參數(shù)。對(duì)于具體的電子體系，在一定溫度下，只要確定了EF，電子在能級(jí)中的分布情況也就完全確定了。對(duì)于一定的半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)隨溫度以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。費(fèi)米能級(jí)位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。在絕對(duì)零度（T=0）時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。4.（注意）（1）非平衡載流子的注入光注入：用光照射半導(dǎo)體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。（光-電器

3、件，光-光器件）電注入： 給PN結(jié)加正向偏壓，PN結(jié)在接觸 面附近產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸時(shí)，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，也可以注入非平衡載流子。 電-光器件） （2）非平衡載流子的復(fù)合非平衡載流子的復(fù)合：非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的，當(dāng)外界作用撤除以后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，導(dǎo)帶中的非平衡電子將落入到價(jià)帶的空狀態(tài)中，使電子和空穴成對(duì)地消失。非平衡載流子的復(fù)合是半導(dǎo)體由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的一種弛豫過程，屬于統(tǒng)計(jì)性的過程。5.量子限制效應(yīng) (QCE，Quantum Confinement Effect)，指固體材料的尺度縮小到一定值時(shí)，即在某一維度上可與電子的德布洛意波長(zhǎng)或電子平均自由程相

4、比擬或更小時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)受到局限，電子態(tài)呈量子化分布，連續(xù)的能帶分解為分立的能級(jí) 。第二章1.pn結(jié)定義 所謂pn結(jié)，是指采用某種技術(shù)在一塊半導(dǎo)體材料內(nèi)形成共價(jià)鍵結(jié)合的p型和n型區(qū)，那么p型區(qū)和n型區(qū)的界面及其二側(cè)載流子發(fā)生變化范圍的區(qū)域稱為pn結(jié)。2.非平衡pn結(jié)定 義：施加偏壓的pn結(jié)。此時(shí)pn結(jié)處于非平衡狀態(tài)，稱非平衡pn結(jié)。 正向偏置：偏置電壓為p區(qū)電位高于n區(qū)電位 反向偏置：偏置電壓為n區(qū)電位高于p區(qū)電位 特 征-與平衡pn結(jié)相比： 空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生變化- 破壞了載流子擴(kuò)散、漂移的動(dòng)態(tài)平衡； 空間電荷區(qū)寬度變化；能帶結(jié)構(gòu)變化；載流子分布變化； 產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象-形成電流： 正向偏

5、置條件下：空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度被削弱，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，形成凈擴(kuò)散流-稱為正向電流。 反向偏置條件下：空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度被增強(qiáng)，載流子漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成凈漂移流-稱為反向電流。3.載流子分布正偏： 空間電荷區(qū)電場(chǎng)被削弱，載流子擴(kuò)散大于漂移； 載流子濃度在空間電荷區(qū)及邊界高于其平衡值； 邊界處非平衡少數(shù)載流子向體內(nèi)擴(kuò)散； 邊擴(kuò)散邊與多子復(fù)合，在少子擴(kuò)散長(zhǎng)度處近似等于平衡少子濃度。反偏： 空間電荷區(qū)電場(chǎng)被加強(qiáng)，載流子漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)； 載流子濃度在空間電荷區(qū)及邊界處低于其平衡值； 中性區(qū)平衡少子向空間電荷區(qū)內(nèi)擴(kuò)散； 使擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)少子濃度低于其平衡值； 載流子低于平衡值就

6、要有產(chǎn)生； 擴(kuò)散進(jìn)空間電荷區(qū)的載流子與產(chǎn)生的載流子動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，反偏 載流子達(dá)穩(wěn)定分布。 4.pn結(jié)擊穿定義：反向電壓增大到某一值時(shí)，電流急劇上升。這種現(xiàn)象稱為pn結(jié)的擊穿。 相應(yīng)反偏電壓稱為pn結(jié)擊穿電壓。 擊穿是pn的本征現(xiàn)象，本身不具有破壞性，但是如果沒有恰當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo(hù)措施，pn結(jié)則會(huì)因功耗過大而被熱損壞。擊穿機(jī)制： 熱擊穿； 隧道擊穿； 雪崩擊穿-常見的主要擊穿機(jī)制。（1）隧道擊穿 隧道效應(yīng)-電子具有波動(dòng)性，它可以一定幾率穿過能量比其高的勢(shì)壘區(qū)，這種現(xiàn)象稱作隧道效應(yīng)。 隧道擊穿-pn結(jié)反偏下，p區(qū)價(jià)帶頂可以高于n區(qū)導(dǎo)帶低，那么p區(qū)價(jià)帶電子可以借助隧道效應(yīng)穿過禁帶到達(dá)n區(qū)。當(dāng)反偏壓達(dá)到時(shí)，

7、隧穿電子密度相當(dāng)高，形成的隧道電流相當(dāng)大，這種現(xiàn)象通常稱作隧道擊穿，又稱齊納擊穿。 （2）雪崩擊穿碰撞電離-反偏空間電荷區(qū)電場(chǎng)較強(qiáng)，構(gòu)成反向電流的電子和空穴可以獲得較大的動(dòng)能。若電子和空穴獲得的動(dòng)能在與晶格原子碰撞時(shí)足以將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為碰撞電離。 雪崩倍增效應(yīng)-產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)從電場(chǎng)獲取足夠能量，與原子撞碰又產(chǎn)生第二代電子-空穴對(duì)。如此繼續(xù)下去，使構(gòu)成反向電流的載流子數(shù)量劇增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應(yīng)。 雪崩擊穿-由雪崩倍增效應(yīng)引起的反向電流的急劇增大，稱為雪崩擊穿。5.異質(zhì)結(jié)定義二種不同半導(dǎo)體材料以價(jià)健形式結(jié)合在一起，那么其界面及二測(cè)少子密度(與平衡狀態(tài)相比)發(fā)

8、生變化的區(qū)域稱為異質(zhì)結(jié) 特征：二個(gè)區(qū)域禁帶寬度不同同型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型相同) ； 反型異質(zhì)結(jié)(二種半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型不同)。6、半導(dǎo)體的光吸收機(jī)制機(jī)理：載流子吸收光能躍遷； 晶格振動(dòng)吸收光能。 機(jī)制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收， 激子吸收，晶格振動(dòng)吸收。激子： 處于禁帶中的電子與價(jià)帶中的空穴在 庫侖場(chǎng)作用下束縛在一起形成的電中 性系統(tǒng)。激子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)， 不形成電流。 激子吸收： 價(jià)帶電子受激躍至禁帶，形成激子。 激子吸收特征：hv小于EG第三章1.、光輻射的度量 光輻射的度量方法有兩種:一種是客觀的度量方法,研究各種電磁輻射的傳播和量度,稱為輻射度學(xué)參量.適用于

9、整個(gè)電磁譜區(qū).另一種是主觀的計(jì)量方法,以人眼見到的光對(duì)大腦的刺激程度來對(duì)光進(jìn)行計(jì)量的方法,稱為光度學(xué)參量.適用于可見光譜區(qū).輻（射）通量：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能。又稱輻（射）功率。光通量：從數(shù)量上描述電磁輻射對(duì)視覺的刺激強(qiáng)度；單位時(shí)間內(nèi)，人眼所感受到的光能。與輻射波長(zhǎng)及人眼的視見函數(shù)有關(guān)。 2.半導(dǎo)體的光吸收有本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格振動(dòng)吸收等多種吸收機(jī)制。其中，最主要的吸收是本征吸收。價(jià)帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過禁帶，躍入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成了電子空穴對(duì)，這

10、種躍遷過程所形成的光吸收過程稱為本征吸收。 2.光電導(dǎo)探測(cè)器原理內(nèi)光電效應(yīng): 材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化或電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)，是相對(duì)于外光電效應(yīng)而言的。光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。第四章重點(diǎn)：定義，知道相關(guān)器件：外光電效應(yīng)：物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為 （光電發(fā)射效應(yīng)：光電管、光電管、像增強(qiáng)管）內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上,使物體的電阻率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 （光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)管或稱光敏電阻 光伏效應(yīng)：光電池、光電二極管）定義，比較，簡(jiǎn)答題：光子

11、效應(yīng)：指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子 后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 特點(diǎn)：光子效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。例如：太陽電池花光熱效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的 光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。 特點(diǎn)：原則上對(duì)光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。 說明：在紅外區(qū)，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，常用于紅外線輻射探測(cè)。 例如：熱釋電紅外探測(cè)器光譜匹配是選擇

12、光電探測(cè)器，如像管、光電倍增管、紅外成像器件的光電轉(zhuǎn)換材料的重要依據(jù)。希望光電探測(cè)器盡量與光源匹配。定義：如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf 噪聲主要分為：有形噪聲和無規(guī)噪聲 前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏它是探測(cè)器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個(gè)探測(cè)器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為隨機(jī)起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。從這個(gè)意義上說，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測(cè)，就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問

13、題長(zhǎng)時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)間平均值一定為零。所以用時(shí)間平均值無法描述噪聲大小依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。幾種噪聲的定義：1.散粒噪聲：無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲 對(duì)光電導(dǎo)探測(cè)器，載流子熱激發(fā)是電子空穴對(duì)。電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機(jī)的。 因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使

14、起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)因素，取名為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲3.光子噪聲 以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。 因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。它是探測(cè)器的極限噪聲，不管是信號(hào)光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大4.熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無偏壓下

15、的起伏電動(dòng)勢(shì)。這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。5. 1/f 噪聲1/f 噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。 這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對(duì)這種噪聲的影響很大，所以有時(shí)也稱為表面噪聲或過剩噪

16、聲。 .溫度噪聲 它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。在熱探測(cè)器件中必須考慮溫度噪聲的影響。 當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于有溫差T的存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。本征型光敏電阻 一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測(cè)非本征型光敏電阻 通常在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)光敏電阻的電流： 1. 無光照時(shí),光敏電阻的阻值很大,電路中電流很小。 2.受光照時(shí),由光照產(chǎn)生的光生載流子迅速增加,它的阻值急劇減少。在外電場(chǎng)作用下光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng),在電路中形成電流,光生載流子越多電流越大。簡(jiǎn)答，判斷：光敏電阻的特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，根據(jù)光

17、電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其是對(duì)紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度偏置電壓低，工作電流大(可達(dá)數(shù)毫安)動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光光電導(dǎo)增益大(大于1)，靈敏度高光敏電阻無極性，使用方便 光譜響應(yīng)主要由材料禁帶寬度決定，禁帶寬度越窄則對(duì)長(zhǎng)波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低，因此采用冷卻靈敏面的辦法來降低熱發(fā)射，來提高靈敏度往往是很有效的。溫度降低，使靈敏范圍和峰值向長(zhǎng)波范圍移動(dòng)，降低了熱發(fā)射，提高了靈敏度零偏壓pn結(jié)光伏探測(cè)器光伏工作模式光電池硅光電池的用途：光電探測(cè)器件，電源PN結(jié)很重要！ 太陽電

18、池的物理基礎(chǔ)：p-n結(jié)的形成：當(dāng)p型硅和n型硅互相接觸時(shí)，如圖2.1所示，交界面兩側(cè)的電子和空穴濃度不同，于是界面附近的電子將通過界面向右擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而空穴則向左擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。界面左側(cè)附近的電子流向p區(qū)后，就剩下了一薄層不能移動(dòng)的電離磷原子P+，如圖(b)所示，形成一個(gè)正電荷區(qū)，阻礙n區(qū)電子繼續(xù)流向p區(qū)，也阻礙p區(qū)空穴流向n區(qū)。類似的過程也使界面右側(cè)附近剩下一薄層不能移動(dòng)的電離硼原子B-，它阻礙p區(qū)空穴向n區(qū)及n區(qū)電子向p區(qū)的繼續(xù)流動(dòng)。于是界面層兩側(cè)的正、負(fù)電荷區(qū)形成了一個(gè)電偶層，稱為阻擋層，如圖(b)所示。（a）n型硅和p型硅接觸；（b）形成p-n結(jié)非本征吸收包括激子吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收

19、和晶格振動(dòng)吸收等。本征吸收發(fā)生在波長(zhǎng)吸收限0以內(nèi)，非本征吸收發(fā)生于0之外。簡(jiǎn)答，過程會(huì)敘述：光生伏特效應(yīng)：當(dāng)p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，在p-n結(jié)處有一個(gè)耗盡區(qū)，其中存在著勢(shì)壘電場(chǎng)，該電場(chǎng)的方向由n區(qū)指向p區(qū)。如圖2.3（a）所示，電池被太陽照射時(shí)，能量hn大于或等于禁帶寬度Eg的光子，穿過減反射膜進(jìn)入硅中。在n區(qū)、空間電荷區(qū)、p區(qū)中激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)。光生電子-空穴對(duì)在耗盡區(qū)中產(chǎn)生后，立即被勢(shì)壘電場(chǎng)分離，光生電子被送進(jìn)n區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)p區(qū)。在n區(qū)中，光生電子-空穴對(duì)產(chǎn)生后，光生空穴（少子）便向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)作用，被電場(chǎng)力牽引做漂移運(yùn)動(dòng)，越過耗

20、盡區(qū)進(jìn)入p區(qū)，光生電子（多子）則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子（少子）同樣因?yàn)閿U(kuò)散、漂移而進(jìn)入n區(qū)，光生空穴（多子）留在p區(qū)。這樣，在p-n結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)，如圖2.3（b）所示，這就是光生伏特效應(yīng)。太陽電池的性能參數(shù)（以下是各種判斷！）由于IL與入射光強(qiáng)成正比，因此VOC也隨入射光強(qiáng)增加而增大，與入射光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，開路電壓還與I0的對(duì)數(shù)成反比，而I0與電池基體材料的禁帶寬度有關(guān)，禁帶愈寬，I0越小，則VOC愈大。同時(shí)VOC隨溫度的升高而降低。填充因子最大輸出功率與（VOCISC）之比稱為填充因子，用FF表示。對(duì)于開路電壓VOC和短路電流ISC一定的特性曲線來說，填充

21、因子越接近于1，電池效率越高，伏安特性線彎曲越大。因此FF也稱曲線因子，表示式為 FF是用以衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指之一。在一定光強(qiáng)下，F(xiàn)F愈大，曲線愈方，輸出功率越高。 太陽電池效率太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是首要的關(guān)鍵指標(biāo)，決定著電池的成本、質(zhì)量、材料消耗、輔助設(shè)施等許多因素。太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為式中Pin 太陽電池的輸入功率。所以太陽電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率。判斷：效率影響因素：禁帶寬度禁帶寬度對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響是雙向的。一方面禁帶寬度增大會(huì)使短路電流減少。因?yàn)殡S著它的增大，能激發(fā)光生電流的光子數(shù)在減少。另方面，開路電壓則隨著禁帶寬度增大而增大。因此，要

22、得到較高的電池轉(zhuǎn)換效率，必須找合適禁帶寬度的材料。 溫度電池效率隨著溫度升高而下降。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)造成禁帶寬度的降低。 少數(shù)載流子的壽命光生載流子產(chǎn)生后，少數(shù)載流子要運(yùn)動(dòng)到p-n結(jié)另一方。在此期間，只有它不被復(fù)合才有可能形成電池電流。少數(shù)載流子壽命除了取決于材料本身外，還取決于復(fù)合中心的濃度。而復(fù)合中心由晶體缺陷和雜質(zhì)所構(gòu)成。少數(shù)載流子壽命越長(zhǎng)，暗電流越小，開路電壓越高。 摻雜濃度及其分布在一定范圍內(nèi)，摻雜濃度越高，開路電壓也隨之增大，這有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。但由于載流子的簡(jiǎn)并效應(yīng)，過多的摻雜反而會(huì)降低開路電壓，而且少子壽命也會(huì)降低。另外，當(dāng)摻雜濃度從電池表面的擴(kuò)散區(qū)向結(jié)的方向不均勻降低時(shí)

23、，可提高光生載流子的收集效率，有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。 光強(qiáng)提高太陽光的強(qiáng)度有助于提高轉(zhuǎn)換效率。提高太陽光的強(qiáng)度可以增大電池的短路電流。另一方面還會(huì)發(fā)生“場(chǎng)助效應(yīng)”，即在基區(qū)中產(chǎn)生強(qiáng)大的光生電流，這個(gè)電流產(chǎn)生一個(gè)促使光生載流子流向p-n結(jié)的電場(chǎng)。高的光強(qiáng)還可以提高電池的填充因子。 串聯(lián)電阻電池的排列、歐姆接觸、電池的內(nèi)阻都構(gòu)成電池的串聯(lián)電阻。 染料敏化太陽電池：激發(fā)態(tài)的壽命越長(zhǎng)，越有利于電子的注入，而激發(fā)態(tài)的壽命越短，激發(fā)態(tài)分子有可能來不及將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中就已經(jīng)通過非輻射衰減而返回到基態(tài)。2、4兩步為決定電子注入效率的關(guān)鍵。電子注入速率常數(shù)（kinj）與逆反應(yīng)速率常數(shù)（kb）之比越大，

24、電子復(fù)合的機(jī)會(huì)就越小，電子注入的效率就越高。步驟6是造成電流損失的一個(gè)主要原因，因此電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度（k5）越大，電子與I3-離子復(fù)合的交換電流密度（J0）越小，電流損失就越小。在整個(gè)過程中，各反應(yīng)物種總狀態(tài)不變，光能轉(zhuǎn)化為電能。電池的開路電壓（Voc）取決于二氧化鈦的費(fèi)米能級(jí)和電解質(zhì)中氧化還原電對(duì)的能斯特電勢(shì)之差。1Si光電二極管結(jié)構(gòu)原理：為了消除表面漏電流，在器件的SiO2表面保護(hù)層中間擴(kuò)散一個(gè)環(huán)形p-n結(jié)，如圖所示， 該環(huán)形結(jié)構(gòu)稱為環(huán)極。在有環(huán)極的光電二極管中，通常有三根引出線，對(duì)于n+p結(jié)構(gòu)器件，n側(cè)電極稱為前極，p側(cè)電極稱為后極。環(huán)極接電源正極，后極接電源負(fù)極，前極通過負(fù)

25、載接電源正極，由于環(huán)極電位高于前極，在環(huán)極形成阻擋層阻止表面漏電流通過，可使得負(fù)載RL的漏電流很小(小于0.05A )，若不用環(huán)極也可將其斷開作為空腳。填空，簡(jiǎn)答：光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移（渡越）時(shí)間；(c)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路RC時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)答，原理過程會(huì)描述：雪崩光電二極管（APD）在幾百伏的反偏壓作用下，由于PN結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)足夠高，由光子產(chǎn)生的電子和空穴可獲得很高的能量，當(dāng)它們撞擊價(jià)帶中的被束縛的電子時(shí)，就會(huì)引起電離現(xiàn)象，從而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，原有的電子和空穴連同新產(chǎn)生的電子

26、和空穴在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下又重新獲得能量，導(dǎo)致更多的撞擊，產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，這樣由光子產(chǎn)生的一對(duì)電子和空穴經(jīng)過多次碰撞后可以產(chǎn)生很多的電子和空穴，人們將這種電流放大現(xiàn)象稱為雪崩。雪崩光電二極管就是利用這種效應(yīng)產(chǎn)生光電流的放大作用。 熱探測(cè)器包括：熱電和熱釋電探測(cè)器熱探測(cè)器的分析模型有三部分組成：熱敏元件、熱鏈回路和大熱容量的散熱器利用熱釋電效應(yīng)制成的探測(cè)器稱為熱釋電探測(cè)器。（定義）在某些絕緣物質(zhì)中由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 簡(jiǎn)答，原理，過程光電倍增管：PhotoMultiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT，是一種建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論

27、基礎(chǔ)上的，把微弱光轉(zhuǎn)化成光電子并獲倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。這種器件實(shí)際上是一種電子管，感光的材料主要是金屬銫的氧化物，其中并摻雜了其他一些活性金屬（例如鑭系金屬）的氧化物進(jìn)行改性，以提高靈敏度和修正光譜曲線，用這材料制成的光電陰極射線管，在光線的照射下能夠發(fā)射電子，我們可以稱之為光電子，它經(jīng)柵極加速放大后去沖擊陽極，最終形成了電流。判斷，填空 光電面按光子的發(fā)射方法可分成反射型和透過型兩大類。反射型通常是在金屬板上形成發(fā)光面，光電子同入射光反方向發(fā)射。透過型通常是在光學(xué)透明平板上形成薄膜狀光電面，光電子同入射光同方向發(fā)射。結(jié)構(gòu)：1）環(huán)形聚焦型 2）盒柵型 3）直線聚焦型 4）百葉窗型 5

28、）細(xì)網(wǎng)型 6） 微通道板（MCP）型 7）金屬通道型 （名稱要知道）掌握取決于什么材料：光譜響應(yīng)特性的長(zhǎng)波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。掌握來源的名稱：陽極暗電流的主要來源有以下幾種：1） 電子熱發(fā)射2） 殘留氣體電離（離子反饋）3） 玻璃發(fā)光 4） 漏電電流 5） 場(chǎng)致發(fā)射光電材料與器件第五章重點(diǎn)：成像轉(zhuǎn)換過程有四個(gè)方面的問題需要研究：能量方面物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測(cè)到目標(biāo)的問題成像特性能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度，對(duì)多光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面決定接收到的信號(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面（成像特性、噪聲信息傳遞

29、問題，決定能被傳遞的信息量大小）掌握固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)以電荷作為信號(hào)CCD的基本功能電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD工作過程信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過程電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電

30、荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CCD為例表面溝道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999以上，工作頻率可高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件電荷檢測(cè)：電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴(kuò)散輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)；浮置擴(kuò)散輸出 應(yīng)用最廣泛線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)面陣CCD攝

31、像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)彩色CCD：目前主要有三片式和單片式兩種CCD成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限、引起固定圖像噪聲CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。測(cè)試時(shí)用專門的測(cè)試卡。目前國際上一般用（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率。采用CMOS (Complementary Metal-Oxide

32、-Semiconductor Transistor）技術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。工作過程：首先，外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。行選通單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場(chǎng)頻，但會(huì)降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。紅外焦

33、平面器件（IRFPA）就是將CCD、CMOS技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測(cè)器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。IRFPA建立在材料、探測(cè)器陣列、微電子、互連、封裝等多項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)之上。IRFPA通常工作于13m、35m和812m的紅外波段并多數(shù)探測(cè)300K背景中的目標(biāo)。IRFPA由紅外光敏部分和信號(hào)處理部分組成。紅外光敏部分材料的紅外光譜響應(yīng)信號(hào)處理部分有利于電荷的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移接收系統(tǒng)對(duì)景物的分解方式?jīng)Q定了光電成像系統(tǒng)的類型：(1) 光機(jī)掃描方式 最常用的掃描方式是直線掃描，即瞬時(shí)視場(chǎng)從左到右進(jìn)行行掃描（方位掃描），掃描完一行后在從上往下進(jìn)行第二行掃描，這種上下挪動(dòng)掃描稱為列掃描（幀掃描）。

34、特點(diǎn)是：探測(cè)器相對(duì)于總視場(chǎng)只有較小的接收范圍，而由光學(xué)部件做機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)景物空間的分解。常用多元探測(cè)器來提高信號(hào)幅值或降低掃描速度，進(jìn)而提高光電成像系統(tǒng)的信噪比。根據(jù)掃描方式因元件的排列和掃描方向的不同，分為：串聯(lián)掃描、并聯(lián)掃描、串并聯(lián)混合掃描(2) 電子束掃描方式成像系統(tǒng)元件：采用的是各種電真空類型的攝像管，如紅外成像系統(tǒng)中的熱釋電攝像管。原理：在這種成像方式中，景物空間的整個(gè)觀察區(qū)域同時(shí)成像在攝像管的靶面上，圖像信號(hào)通過電子束檢出。只有電子束所觸及的那一小單元區(qū)域才有信號(hào)輸出。攝像管的偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束沿靶面掃描，促使能夠一次拾取整個(gè)觀察區(qū)域的圖像信號(hào)。特點(diǎn)：光敏靶面對(duì)整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的景物

35、輻射同時(shí)接收，而由電子束的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)景物圖像的分解。(3) 固體自掃描方式成像系統(tǒng)元件：采用的是各種面陣固體攝像器件，如面陣CCD、CMOS攝像器件等。原理：面陣攝像器件中的每個(gè)單元對(duì)應(yīng)于景物空間的一個(gè)相應(yīng)小區(qū)域，整個(gè)面陣攝像器件對(duì)應(yīng)于所觀察的景物空間。特點(diǎn)：面陣攝像器件對(duì)整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的景物輻射同時(shí)接收，而通過對(duì)陣列中各單元器件的信號(hào)順序采樣來實(shí)現(xiàn)對(duì)景物圖像的分解。紅外成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾方面的基本要求：物像共軛位置、成像放大率、一定的成像范圍，以及在像平面上有一定的光能量和反映物體細(xì)節(jié)的能力（即分辨率）。 光學(xué)系統(tǒng)：由透鏡、反射鏡、棱鏡及光闌等多種光學(xué)元件按一定次序組合成的整體。 理想

36、光學(xué)系統(tǒng)：若拋開光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu), 假定其在任意大的空間，以任意寬的光束都能成完善像。它是能產(chǎn)生清晰且與所成像與物貌完全相似的光學(xué)系統(tǒng)理想模型，可作為衡量實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。理想光學(xué)系統(tǒng)具有下述性質(zhì) ： 光學(xué)系統(tǒng)每一點(diǎn)物對(duì)應(yīng)一點(diǎn)像，光路可逆。 一對(duì)物、像可互換的點(diǎn)稱為共軛點(diǎn)。 物方某條入射光線與對(duì)應(yīng)的出射光線稱為共軛光線。 物方每個(gè)平面對(duì)應(yīng)像方的一個(gè)共軛平面面。 這種點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)、直線對(duì)應(yīng)直線、平面對(duì)應(yīng)平面的成像變換稱為共線成像。 主光軸上任一點(diǎn)的共軛點(diǎn)仍在主光軸上。過光軸的某一截面內(nèi)的物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共軛像點(diǎn)必位于該平面的共軛像面內(nèi)；垂直于主光軸的平面其共軛面與主光軸垂直。 垂直于

37、光軸的平面物所成的共軛平面像，其幾何形狀與物完全相似 (垂直于主光軸的共軛平面其橫向放大率為常量)。 一個(gè)共軸理想光學(xué)系統(tǒng)，若已知兩對(duì)共軛面的位置和放大率，或者一對(duì)共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對(duì)共軛點(diǎn)的位置，則其它一切物點(diǎn)的共軛像點(diǎn)都可以根據(jù)這些已知的共軛面和共軛點(diǎn)來表示。 通常將這些已知的共軛面和共軛點(diǎn)分別稱為共軸系統(tǒng)的“基面”和“基點(diǎn)”。簡(jiǎn)答題，作用，原因光學(xué)系統(tǒng)中的光闌按作用分類： 孔徑光闌：限制軸上點(diǎn)成像光束的孔徑角。（有效光闌） 視場(chǎng)光闌：限制物面或像面上的物體成像范圍。 漸暈光闌：去掉成像質(zhì)量差的光束，改善軸外物點(diǎn)和遠(yuǎn)軸光成像質(zhì)量。 產(chǎn)生原因：軸上點(diǎn)：發(fā)出充滿入射光瞳的光束，經(jīng)

38、光學(xué)系統(tǒng)后以充滿出射光 瞳的光束成像。軸外點(diǎn)：某些情況下不能以充滿入射光瞳的光束通過系統(tǒng)成像，只有中間一部分光束可以通過光學(xué)系統(tǒng)成像，這種軸外點(diǎn)光束被部分?jǐn)r掉的現(xiàn)象稱為漸暈，物點(diǎn)離光軸越遠(yuǎn)，漸暈越大。 消雜光光闌：可以攔掉視場(chǎng)以外的光線射入物鏡的入射光瞳，提高成像質(zhì)量。填空，知道名稱實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差。光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像時(shí)產(chǎn)生單色像差，分為五類：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面彎曲（場(chǎng)曲）和畸變。對(duì)多色光成像時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)除對(duì)各單色光成分有單色像差外，還產(chǎn)生兩種色差：軸向色差和垂軸色差（亦稱倍率色差）。紅外物鏡系統(tǒng)（1） 透射式紅外光學(xué)系

39、統(tǒng)（2） 反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)（3） 折反射組合式光學(xué)系統(tǒng)紅外成像中信號(hào)處理的基本任務(wù)是：形成與景物溫度相應(yīng)的視頻信號(hào)，如測(cè)溫，根據(jù)景物各單元對(duì)于的視頻信號(hào)標(biāo)出景物各部分的溫度。信號(hào)中的直流成分需要在信號(hào)處理前通過隔直流的方法去掉信號(hào)處理變得簡(jiǎn)單、抑制背景和削弱1/f噪聲為了減小圖像缺陷，采用直流恢復(fù)技術(shù)。確定視頻信號(hào)處理電路通頻帶基本原則：既要最大可能使信號(hào)不失真，又要盡量抑制噪聲。調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）： 目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對(duì)比降低和信息衰減。通常所謂的分辯率，是將物體結(jié)構(gòu)分解為線或點(diǎn)，這只是分解物體方法的一種。另一種方法是將物體結(jié)構(gòu)分解為各種頻率的譜，即認(rèn)為物體是由各種不同

40、的空間頻率組合而成的。這樣紅外成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對(duì)各種物體結(jié)構(gòu)頻率的反應(yīng)：透過特性、對(duì)比變化和位相推移。 （定義）噪聲等效溫差（NETD）：NETD、是表征一個(gè)紅外成像系統(tǒng)性能的三個(gè)主要特征參數(shù)，分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息傳遞速率及空間分辨率：光電材料與器件第六章重點(diǎn)：發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器都是用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。由于發(fā)光是由注入的電子和空穴復(fù)合而產(chǎn)生的，所以稱為注入式電致發(fā)光。20世紀(jì)60年代初，砷化鎵發(fā)光二極管和砷化鎵半導(dǎo)體激光器被制造出來。簡(jiǎn)答題，兩者原理，特點(diǎn)，定義，區(qū)別LED和半導(dǎo)體激光器（Laser）雖然都是PN結(jié)注入式器件，但二者之間有很

41、多區(qū)別，最主要區(qū)別是： LED靠自由載流子自發(fā)發(fā)射發(fā)光，發(fā)射的是非相干光； Laser發(fā)光是需要外界的誘發(fā)促使載流子復(fù)合的受激發(fā)射，發(fā)射的是同頻率、同位相、同偏振、同方向的相干光，其單色性、方向性和亮度都比LED好得多。 LED具有效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，很可能成為下一代照明的主流產(chǎn)品。 LED自發(fā)發(fā)射，產(chǎn)生非相干光； Laser受激發(fā)射，產(chǎn)生相干光。 LED與Laser發(fā)光機(jī)理：正偏pn結(jié)電子與空穴復(fù)合，釋放出光子-輻射復(fù)合載流子的復(fù)合：復(fù)合：兩種帶電粒子結(jié)合成中性粒子的過程。半導(dǎo)體中自由運(yùn)動(dòng)的電子和空穴復(fù)合成不能自由運(yùn)動(dòng)的中性粒子。輻射復(fù)合：復(fù)合時(shí)放出的能量以光的形式輻射出來。非輻射復(fù)合：復(fù)合時(shí)放出的能量以其他形式釋放出來。光電器件利用的是輻射復(fù)合過程，非輻射復(fù)合過程則是不利的。激子復(fù)合：如果半導(dǎo)體吸收能量小于禁帶寬度的光子，電子被從價(jià)帶激發(fā)，但由于庫倫作用，仍受到價(jià)帶中留下空穴的束縛，形成激子，在禁帶中形成一系列激子能級(jí)。被庫倫能