對“光信息轉換成電信息”的認識

對“光信號轉換成電信號”的認識要想對“光信息轉換成電信號”有一個比較全面的了解，我們應該從以下幾點入手：1.對“光”和“電”的認識<1>從現(xiàn)有的理論來看，光是一種能量的形態(tài)，它可以從一個物體傳播到另一個物體，其中無需任何物質作媒介。通常將這種能量的傳遞方式謂之輻射，其含義是能量從能源出發(fā)沿直線（在同一介質內）向四面八方傳播。關于光的本質，早在十七世紀中葉就被牛頓與麥克斯韋分別以“微粒說”“波動說”進行了詳細探討，并成為當前所公論的光具有“波粒二重性”的理論基礎。約io0多年前，人們又進一步證實了光是一種電磁波，更嚴格地說，在極為寬、闊的電磁波譜大家族中。可見光的光波只占有很小的空間，如下表所示。其波長范圍處在380nm-770nm。當然隨著光波的波長，頻率，強度，方向，偏振等的不同其所攜帶的信息就有所不同。/xianglinwang/item/72c07715595901f8ddeeca40<2>電是一種自然現(xiàn)象，是一種能量。自然界的閃電就是電的一種現(xiàn)象。電是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間產(chǎn)生的排斥力和吸引力的一種屬性。它是自然界四種基本相互作用之一。電或電荷有兩種：我們把一種叫做正電，另一種叫做負電。電是個一般術語，包括了許多種由于電荷的存在或移動而產(chǎn)生的現(xiàn)象。這其中有許多很容易觀察到的現(xiàn)象，像閃電、靜電等等，還有一些比較生疏的概念，像電磁場、電磁感應等等。光信息轉化成電信息我們知道由于光的波長，頻率，強度，方向，偏振等不同其所攜帶的信息就不同。而“光”與“電”的相互轉換的核心就是光電轉換器件。光電轉化原理主要有以下四種：1、 外光電效應。在入射光能量作用下，某些物體內的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子，用此原理制成的光電信息轉換器件有光電倍增管，真空光電管，充氣光電管等2、 光電導效應。在入射光線的作用下，半導體材料中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越過禁帶躍遷到導帶，從而使導帶中電子濃度加大，材料的電阻率減少?；谶@種原理的光電信息轉換器件有光敏電阻等。3、 光伏效應。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。以結為例，由于光線照射結而產(chǎn)生的電子和空穴，在內電場作用下分別移向和區(qū)，從而對外形成光生電動勢?；谠撔瞥傻墓怆娦畔⑥D換器件有光電池，光敏二極管，光敏三極管等。4、 光電熱效應。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流，如熱釋電、碲鎘汞（）等，這類器件稱為熱電探測器。3、光電轉換器光電倍增管光敏電阻光電池光敏二極管光敏三極管熱釋電<1>光電倍增管結構與原理光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖所示。為側窗式，即光線從側面入射到光電倍增管，為端窗式，使用時入射光線從端面進入光電倍增管。(b)圖3.k1-1光電倍增管外形光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖所示。為側窗式，即光線從側面入射到光電倍增管，為端窗式，使用時入射光線從端面進入光電倍增管。1）光窗是入射光的通道，同時也是對光吸收較多的部分。玻璃對光的吸收與波長有關，波長越短吸收的越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。光電倍增管一般常用的光窗材料有鈉鈣玻璃硼硅玻璃紫外玻璃熔凝石英氟鎂玻2） 光電陰極的作用是光電變換，接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導體，其原理如第一章所述。倍增管光譜特性的長波閾值決定于光電陰極材料，同時對整管靈敏度也起著決定性作用。3） 電子光學系統(tǒng)任務有兩個：通過對電極結構的適當設計，使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，使下一級的收集率接近于；使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上時所經(jīng)歷的時間盡可能相同，使渡越時間零散最小。4） 倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成的，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關鍵的部分。光電倍增管是利用二次電子發(fā)射現(xiàn)象制成的，解釋如下：當高速的電子打擊到金屬表面，由于高速電子的動能被金屬吸收，改變了金屬原子內電子能量

的狀態(tài)，使有些電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。當一次電子（即高速電子）有足夠大的速度時，由它產(chǎn)生的二次電子流很可能比它的一次電子流還大，這說明在這種情況下，任何一個一次電子不只從金屬中解放出一個電子，而是幾個二次電子。其結構如下圖所示：Ln*1=JHUFIb)Ln*1=JHUFIb)圖3.LI-4倍增扱的結構形式白葉窗式H盒欄式c）宜瓦片式d）風瓦片式5）陽極是用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子的。過去的陽極結構都是金屬板，后來發(fā)現(xiàn)板狀結構常因空間電荷效應而影響接受性能?，F(xiàn)在普遍采用金屬網(wǎng)來作陽極，使它置于靠近于最末一級倍增極附近。<2>光敏電阻工作機理較復雜，但結構卻十分簡單，只是在一塊勻質的光電導體兩端加上電極即成，如圖所示。光敏電阻有以下優(yōu)點光譜響應相當寬。根據(jù)不同的光電導材料，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。所測的光強范圍寬，即可對強光響應，也可對弱光響應。無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。靈敏度高，工作電流大，可達數(shù)毫安。光敏電阻的不足之處是在強光照射下線性較差，頻率特性也較差。光電導林料4光電導林料4、特殊的光電轉換機制引餃>■■3.1.2-1光放電卩1%椅小意岡TECHNOLOGYUPDATEJan24,2013Howdoesgrapheneconvertlightintoelectricity?Graphenedoesnotbehavelikeconventionalsemiconductorswhenexposedtolightbutresearchersareunsureastotheexactmechanismsbehindthematerialsunusualphotoresponse?PhotoconductivityexperimentsongraphenetransistorsbyateamatIBMintheUShavenowrevealedthateitherphotovoltaicorbolometriceffectsappeartobeatplay.Theresultwillcomeinveryusefulformakingnewtypesofultrafastandhighlyefficientphotodetectorsfromthewondermaterial?I： r<E『-aT-<iraMi<E『-aT-<iraMiPhotocurrentasafunctionofgatevoltageingraphenePhotodetectors-devicesthatdetectlightbyconvertingopticalsignalsintoelectricalcurren—areroutinelyemployedinapplicationssuchascommunications,sensingandimaging.MostlightdetectorsaremadeofIII-Vsemiconductorslikegalliumarsenideandtheyworkbyabsorbingphotonstoproduceelectron-holepairsthatthenseparateandgenerateanelectricalcurrent.Graphene-asheetofcarbonjustoneatomthic—hasanumberofuniquephysicalandmechanicalpropertiesthatmakeitidealfordetectinglight.Oneimportantadvantageisthatelectronsmovemuchfasterthroughgraphenethanthroughothermaterials.Theybehave,infact,asiftheyhadnomassandtravelat1/300thespeedoflight.TheseparticlesarecalledmasslessDiracfermionsandtheirbehaviourcouldbeexploitedinahostofapplications,includingtransistorsthatarefasterthananythatexisttoday.Grapheneisalsoverygoodatabsorbinglightoveraverywiderangeofwavelengths,rangingfromthevisibletotheinfrared.III-Vsemiconductorsdonotworkoversuchawiderange.Untilnow,researchersbelievedthatgrapheneabsorbedlightviaatleastfivedifferentmechanisms-throughphotovoltaic,thermoelectricorbolometriceffects,andbyphotodesorptionofoxygenorphototransistoramplification.AteamledbyPhaedonAvourisatIBM'sTJWatsonResearchCenterinYorktownHeights,NewYork,hasnowlookedatalloftheseeffectsindetailinphotoconductivityexperimentsongraphenefield-effecttransistors.TheIBMresearchersobtainedtheirresultsbyilluminatingtheFETswithfocusedinfraredlaserlightandthenmeasuringtheresultingphotocurrentusingalock-intechnique.Theexperimentswereperformedonhomogenousgraphene,ratherthanongraphenep-njunctions,asinmanyprevioussuchexperiments,whichallowedtheteamtomeasuretheintrinsicphotoresponseofthecarbonmaterial.HotelectronsandcoolerlatticeWhengrapheneabsorbslight,electron-holepairsareexcitedthatthenrapidlyinteractwithotherelectronsandholes.Theseinteractionsincreasetheoveralltemperatureoftheelectrons,explainsFreitag,buttheelectronsrema“inhot”becausetheycouplepoorlytothecarbonlatticeandthustransfertheirheattoitonlyveryslowly.“Itisthesehotcarriersthatproducethephotovoltaiccurrentingraphene”,hetold.“Whenthelatticetemperaturedoesincrease,however,thischangestheelectronmobilityandproducesabolometriccurrentintheoppositedirection.Atlowchargedensities,thephotovoltaiceffectthusappearstodominatewhileathighelectrondopinglevels,itisthebolometriceffect,”hesaid.“WefoundthatwecouldswitchbetweenthesetwophotocurrentresponsemechanismsbychangingtheelectrondensityinthegrapheneFETusingabackgatevoltage”.Knowingexactlyhowphotocurrentisproducedingraphenewillbecrucialforimprovingtheefficiencyofphotodetectorsmadeofthismaterial.Forexample,changingthedielectriconwhichthegraphenetransistorisplacedwillalterelectron-phononcouplinginthedeviceandsochangewhicheffect,bolometricorphotovoltaic,dominates.Theteamisnowbusyworkingonimprovinggraphe'neslightabsorptioninthemid-infraredrangebyexploitingintrinsicgrapheneplasmons(collectiveelectronoscillationsinthemateriallattice).“WebelievethatgraphenehasaclearadvantageinthisenergyrangethankstoitsDiracferm”ns,saidFreitag.ThecurrentworkisdetailedinNaturePhotonics.AbouttheauthorBelleDumeiscontributingeditorat.中文對照解開石墨烯的光電轉換機制之謎2013/2/1911:32:35來源：本站原創(chuàng)我要評論(0)【字體：大中小】38導讀：石墨烯(graphene)照光后的行為與一般半導體不同，而科學家尚未理清其獨特光響應背后的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯晶體管進行光導實驗，發(fā)現(xiàn)其機制可歸因于光伏導讀：石墨烯(graphene)照光后的行為與一般半導體不同，而科學家尚未理清其獨特光響應背后的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯晶體管進行光導實驗，發(fā)現(xiàn)其機制可歸因于光伏(photovoltaic)效應或輻射熱(bolometrie)效應。此結果對于制造石墨烯超快高效光探測器而言具有相當大的幫助。--z, 于r-■j石墨烯(graphene)照光后的行為與一般半導體不同，而科學家尚未理清其獨特光響應背后的確切機制。最近，美國研究人員以石墨烯晶體管進行光導實驗，發(fā)現(xiàn)其機制可歸因于光伏(photovoltaic)效應或輻射熱(bolometric)效應。此結果對于制造石墨烯超快高效光探測器而言具有相當大的幫助。光探測器能將光學信號轉換成電流信號，常見于通訊、傳感及成像等應用。大部分的光探測器采用三五族半導體如砷化鎵，材料吸收光子后產(chǎn)生電子空穴對，分離后即可形成電流。石墨烯為單原子厚的平面碳材料，具有許多獨特的物理與機械性質，可作為理想光電材料。電子在石墨烯內行為如同無靜止質量的相對論性粒子，這些被稱為迪拉克費米子(Diracfermion)的電子速度高達光速的1/300，因此能應用于多種組件如超快晶體管。此外，石墨烯的吸光頻寬大，從可見光涵蓋至紅外光，三五族半導體則相對狹窄。在這之前，研究人員認為至少有五種機制與石墨烯的吸光