《光电器件课件》

光电器件课件南京大学物理学院光电子学研究中心张教授什么是光电器件基本定义现代应用利用光电效应将光能转换为电能通信设备中的光发射接收装置或将电能转换为光能的电子元件显示技术的核心组件医疗设备中的光学传感器光电器件的发展历史年18391贝克勒尔发现光电效应年19472晶体管发明年19623首个红色商用GaAsP LED年代19804光纤通信商业化年代20005显示技术成熟OLED光电器件的基本分类发光器件探测器件、、激光二极管光电二极管、光敏电阻、光电倍增管LED OLED光伏器件光调制器件太阳能电池、光电传感器电光调制器、声光调制器光与物质相互作用光电效应光致发光光子激发电子跃迁电子从高能态跃迁到低能态产生自由电子或电子空穴对释放能量形式为光子-光吸收物质吸收特定波长光子产生能级跃迁或声子振动半导体基础知识原子结构价电子和导电性能带理论导带、价带和禁带结形成PN型与型半导体结合P N空间电荷区内建电场形成光电效应原理外光电效应内光电效应光伏效应光子击打金属表面使电子逸出半导体内部光生电子空穴对结中光生载流子定向移动产-PN生电压光电导效应倍100010μs

0.5-3eV电导变化响应时间激活能照射前后电阻变化幅度从暗态到稳定光电导所需时间典型光电导材料激活能范围结在光电器件中的作用PN光生载流子产生1光子能量大于带隙能量载流子分离空间电荷区内建电场作用电流形成载流子定向移动产生光电流发光二极管（）原理LED外加正向电压载流子注入减小势垒高度电子从区注入区N P发光辐射复合光子波长由材料带隙决定电子空穴复合释放光子-的结构类型LED单异质结双异质结多量子阱简单结构，效率较低有效限制载流子，提高效率强化量子限制效应，提升发光效率的光谱特性LED常见材料与制备工艺LED材料类型颜色效率主要制备工艺蓝色高GaN MOCVD绿色中InGaN MOCVD黄橙红高AlGaInP//MOVPE红外高AlGaAs MBE的基本原理OLED电致发光有机材料中的电致发光现象载流子注入与传输从电极注入到有机层激子形成与复合电子空穴复合形成激子材料与优势OLED发光材料结构优势小分子材料、聚合物材料超薄、轻量、柔性可弯曲显示特性色彩表现自发光、高对比度、广视角广色域、高纯色彩还原激光二极管（）原理LD电流注入载流子注入活性区粒子数反转高能态粒子数超过低能态受激发射光子触发相同光子产生光放大谐振腔内形成相干光束的典型应用LD10Gbps1nm100m通信速率线宽测距范围单通道光纤传输速度单色激光光谱宽度激光雷达典型测量距离太阳能电池基本原理光子吸收半导体材料吸收光子能量产生电子空穴对-光子能量大于带隙产生载流子载流子分离结内建电场分离载流子PN形成光电流载流子在外电路中形成电流太阳能电池材料类型单晶硅效率高（20-24%）成本高、工艺复杂多晶硅效率中（15-20%）成本适中、产量大砷化镓效率极高（25%）价格昂贵、航天应用钙钛矿效率突破（23%）稳定性待解决高效太阳能电池设计多结技术光管理技术不同带隙材料叠加表面织构化吸收更宽光谱抗反射涂层效率可达40%以上光子陷阱结构增强光吸收光电探测器的分类光敏电阻光电二极管电导率随光照强度变化结光生载流子分离PN2光电倍增管雪崩光电二极管电子倍增级联放大内部光电流放大光电二极管探测原理反向偏置1扩大耗尽区宽度光照产生载流子光子能量大于带隙载流子分离内建电场作用电流信号光电流正比于光强雪崩光电二极管（）APD光电倍增管（）PMT光子入射击打光阴极光电发射产生光电子电子倍增经过多级打拿极信号输出阳极收集电流高速光电探测技术关键参数性能优化技术响应时间减小结电容带宽减薄耗尽区灵敏度匹配阻抗设计信噪比低噪声放大电路光敏电阻与材料选择材料响应波长范灵敏度主要应用围硫化镉高可见光传感CdS400-700nm硫化铅高红外探测PbS1-3μm硒中曝光计Se400-650nm锗中近红外应用Ge1-

1.8μm光调制器基本类型电光调制器声光调制器磁光调制器电场改变材料折射率声波产生折射率光栅磁场改变光偏振状态电光调制器原理电光晶体效应干涉结构Pockels铌酸锂等材料电场下折射率线性变化干涉相位差调制光强声光调制器应用20MHz100ns95%调制带宽开关时间衍射效率典型声光调制器带宽光束开关响应速度最大光功率转移比例磁光调制器与效应Faraday法拉第效应常用材料光隔离器磁场引起偏振面旋石榴石、铁氧体、防止反射光返回光转稀土材料源偏振旋转器精确控制偏振方向光子晶体及其特性周期性结构光子带隙光场局域化折射率的空间周期性排列特定频率光波无法传播光在缺陷处强烈局域晶体材料与器件性能集成光电器件光波导结构光子集成芯片脊型波导调制器平面波导探测器槽型波导分束器耦合器微纳结构在光电器件中的应用纳米天线增强局部光场提高器件效率表面等离激元金属-介质界面光场增强突破衍射极限量子点结构量子限制效应可调发光特性光子晶体光子禁带工程控制光传播路径光电器件的封装与热管理散热结构封装工艺热管理散热鳍片、热管、散热基板晶圆切割、固晶、键合、灌封导热界面材料、散热路径优化光电器件失效分析热失效热积累导致性能衰减静电损伤2静电放电导致器件击穿湿度损害水汽渗透引起腐蚀材料老化长期使用导致材料性能下降光电器件在显示领域的应用

0.001mm1000000:110000h尺寸对比度寿命MicroLED OLED微米级单元完美黑色表现典型光电显示器件使用时间LED光电器件在通信中的应用光源激光器产生信号光调制电光调制器编码信息传输光纤传输信号探测光电二极管接收信号光电器件在传感与自动化工业测量智能交通机器人视觉光栅尺、激光测距、激光雷达、红外夜光学传感器、深度光电编码器视系统相机智能家居光电安防监控、环境感知生物医学中的光电技术光学成像激光治疗生物传感、光声成像、荧光成像激光手术、光动力疗法血氧监测、血糖检测OCT新兴光电器件量子点与钙钛矿量子点材料钙钛矿材料尺寸可控低成本溶液制备发光波长可调禁带宽度可调高色纯度缺陷容忍度高效率达90%以上光电转换效率25%柔性与可穿戴光电器件柔性基底材料力学设计性能挑战聚酰亚胺、、蛇形结构、岛桥结构应变下稳定性、封装可靠性PET PDMS智能光电传感器边缘智能本地数据处理和决策1AI网络互联传感器网络与数据共享低功耗设计能量收集与高效电路多模态感知光、声、温度等多维数据主流企业与光电产业链领域代表企业主要产品三安光电、欧司朗照明、显示芯片LED光通信华为、光迅科技光模块、光纤显示京东方、三星、面板LCD OLED传感欧菲光、索尼、光学传感器CIS光电器件市场前景与挑战光电器件前沿动态单光子器件量子通信与计算应用太赫兹技术高频率探测与成像神经形态光学计算类脑光学处理系统二维材料光电器件石墨烯、过渡金属二硫化物国家标准与认证标准体系、、等标准GB/T IECSEMI测试规范电参数、光参数、寿命测试认证要求、、等认证CCC ULCE可靠性评估高温高湿、热循环、测试ESD光电器件设计仿真工具Lumerical COMSOLZemax光学场仿真多物理场耦合分析光学系统设计与优化FDTD总结与复习要点发光原理探测机制、、基本机制光电效应与载流子产生分离LED OLEDLD应用技术器件结构3通信、显示、传感等领域应用各类器件结构特点与性能结束与答疑推荐资源联系方式《光电子学》刘颂豪电子邮件zhang@nju.edu.cn《半导体光电器件》周治平实验室物理楼B403《》答疑时间周二Optoelectronics Kasap14:00-16:00《》Photonics Saleh。