光电物理基础
第一章 光电信息技术物理基础_§1.1理论基础
原子能级和结晶格能带之比较
（4）导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例（如图）
空 带
半满带
3p
与1s 、2s 和 2p 原子能 级对应的能带:完全填满。 但 3s 能带:仅有一半被填 充。在外界电场的作用下，获 得额外的少许能量就可到能带 内附近许多空的状态去,形成电
3s
2p 2s
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
U
UT
1)
）
当I = 0时，可以确定开路光电压Voc为
式中为Isc短路电流。
光生伏特效应的应用: (1)太阳电池;(2)光电探测 器件。
$1.1.5 热释电效应
热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化， 从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。 此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。 某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表 面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变 化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从 而表现出热释电效应。
（2）杂质的电离能小于禁带宽度。
另外，因杂质原子数目少，所以杂质光电导效应
相对本征光电导来说也微弱得多。
掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图 光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在 本征光电导长波限左边(光子能量小于锗禁带宽度)的某一波长处曲线 迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。
（b）n 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价 杂质元素（如磷、锑、砷等），即构成 N
型半导体(或称电子型半导体)。
每掺入一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额外的电 子占有恰在导带下方的某些分立的能级 。
光电信息物理基础
结合模拟和数字处理技术，实现光电信息的综合处理。
光电信息处理技术的应用领域
通信领域
光纤通信、卫星通信、移动通信等， 利用光电信息处理技术实现高速、大 容量的信息传输和处理。
图像处理
利用光电信息处理技术对图像进行采 集、增强、识别等处理，广泛应用于 安防监控、医疗影像等领域。
光电子学
利用光电信息处理技术对光电子器件 进行性能测试、参数测量等，促进光 电子学的发展和应用。
主动式光电成像
通过发射光束照射目标，再接收反射回来的光束进行成像。
被动式光电成像
仅通过接收目标自身发出的光束（如红外辐射、紫外辐射等）进 行成像。
数字光电成像
将传统的模拟成像方式转换为数字方式，便于后续的数字信号处 理和图像处理。
光电成像技术的应用领域
01
02
03
04
安全监控
利用光电成像技术实现远距离 、夜间和隐蔽目标的监控和识
光电器件的工作原理
光电器件通过吸收光子能量， 使电子获得足够的能量跃迁至 导带，形成光电流。
光电器件通常由半导体材料制 成，利用其能带结构来实现光 电转换。
光电器件通过外部电路收集光 电流，实现光信号到电信号的 转换。
光电器件的种类及应用
光电二极管
将光信号转换为电信号的器件，用于光电检 测、光纤通信等领域。
04
光电成像技术
光电成像技术的原理
光电效应
当光子照射到物质表面时，能够 将能量传递给电子，使电子从束 缚状态进入自由状态，形成光电
流。
光电转换
利用光电效应将光信号转换为电 信号，为后续的信号处理提供基
础。
图像形成
通过光电转换后的电信号，经过 一系列的信号处理和图像处理，
第一章 光电信息技术物理基础
第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
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（4）光电发射的瞬时性
光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。实验证 明，光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量级。 因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了 外光电效应器件具有很高的频响。
原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一
个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。
6
理 论 能 4.绝缘体的能带 基带 理 础 论 3p 之
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3s 2p 2s 1s
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
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现在考虑这样一种物质， 该物质中的最高能带即 价带是满的，而且不与 下一个全空的能带重叠, 如图所示。
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理光 论电 基 导 3 光电导的光谱分布 础 效 1）本征光电导的光谱分布 之应 图表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。
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第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
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理光 论电 基导 础效 之应
光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
3
理 论能 基带 理 础 论 之
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价带 ：能量最高的被价电子填满的能带 导带：价带以上的能带基本上是空的 其中能量最低的能带
导带 禁带 价带
光电物理知识点总结大全
光电物理知识点总结大全1. 光电效应光电效应是光和电子之间的基本相互作用过程。
它是指当金属表面或半导体中的电子受到光的照射时，会被激发出来并形成光电流的现象。
光电效应是建立现代光电子学的基础，它揭示了光子的能量和动量对于材料中电子能级的激发影响。
光电效应有三种主要类型：外光电效应、内光电效应和光电发射效应。
2. 波粒二象性波粒二象性是指光和电子都具有波动性和粒子性。
在某些实验中，光和电子表现出波动特性，而在其他实验中，它们又表现出粒子特性。
这一概念的提出解决了红外灾变、飞行时间技术、光学和粒子散射中的许多问题。
波粒二象性的发现是量子力学的重要基础，它为光电物理的发展提供了关键的理论基础。
3. 光的波动性质光的波动性质是指光是一种电磁波，它在传播过程中表现出波动的特性。
光波动性质的研究揭示了光的干涉、衍射、偏振等现象，为光电物理的研究与应用提供了理论基础。
光的波动性质在光学、光电子学、光通信等领域具有重要的应用价值。
4. 光的粒子性质光的粒子性质也称为光子性质，是指光在相互作用过程中表现出粒子的特性。
光的粒子性质的研究揭示了光的能量、动量和频率对材料中电子的激发影响，为光电子学、半导体器件等领域的应用提供了理论支持。
5. 光电子发射光电子发射是指金属或半导体中的电子受到光照射时，把部分能量吸收，并运动到离开金属或半导体表面的位置。
光电子发射是光电效应的重要现象之一，它在光电子学、半导体器件和光学信息处理等领域具有重要的应用价值。
6. 光电晶体光电晶体是由光子晶体和电子晶体组成的一种新型功能材料。
它具有光学周期结构和电子周期结构的双重优势，能够在光电效应的基础上实现光与电子的相互转换和控制。
光电晶体在半导体器件、光通信、光电信息处理等领域具有重要的应用前景。
7. 光电导现象光电导现象是指当半导体材料受到光照射时，导电性能会发生变化的现象。
光电导现象的研究为半导体光电子器件的设计和应用提供了技术支持，包括太阳能电池、光电导光纤、光电探测器等。
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【最新整理，下载后即可编辑】量子力学习题及解答第一章 量子理论基础1．1 由黑体辐射公式导出维恩位移定律：能量密度极大值所对应的波长m λ与温度T 成反比，即m λ T=b （常量）；并近似计算b 的数值，准确到二位有效数字。
解 根据普朗克的黑体辐射公式dv echv d kThv v v 11833-⋅=πρ， （1）以及 c v =λ，（2）λρρd dv v v -=， （3）有,118)()(5-⋅=⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=kThc v v ehc cd c d d dv λλλπλλρλλλρλρρ这里的λρ的物理意义是黑体内波长介于λ与λ+d λ之间的辐射能量密度。
本题关注的是λ取何值时，λρ取得极大值，因此，就得要求λρ 对λ的一阶导数为零，由此可求得相应的λ的值，记作m λ。
但要注意的是，还需要验证λρ对λ的二阶导数在m λ处的取值是否小于零，如果小于零，那么前面求得的m λ就是要求的，具体如下：01151186'=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⋅+--⋅=-kT hc kThce kT hc ehcλλλλλπρ⇒0115=-⋅+--kThc ekThcλλ⇒kThce kThc λλ=--)1(5 如果令x=kThc λ ，则上述方程为x e x =--)1(5这是一个超越方程。
首先，易知此方程有解：x=0，但经过验证，此解是平庸的；另外的一个解可以通过逐步近似法或者数值计算法获得：x=4.97，经过验证，此解正是所要求的，这样则有xkhc T m =λ 把x 以及三个物理常量代入到上式便知K m T m ⋅⨯=-3109.2λ这便是维恩位移定律。
据此，我们知识物体温度升高的话，辐射的能量分布的峰值向较短波长方面移动，这样便会根据热物体（如遥远星体）的发光颜色来判定温度的高低。
1．2 在0K 附近，钠的价电子能量约为3eV ，求其德布罗意波长。
解 根据德布罗意波粒二象性的关系，可知E=hv ，λhP =如果所考虑的粒子是非相对论性的电子（2c E e μ<<动），那么ep E μ22=如果我们考察的是相对性的光子，那么E=pc注意到本题所考虑的钠的价电子的动能仅为3eV ，远远小于电子的质量与光速平方的乘积，即eV 61051.0⨯，因此利用非相对论性的电子的能量——动量关系式，这样，便有ph =λnmm m E c hc E h e e 71.01071.031051.021024.1229662=⨯=⨯⨯⨯⨯===--μμ在这里，利用了m eV hc ⋅⨯=-61024.1以及eVc e 621051.0⨯=μ最后，对Ec hc e 22μλ=作一点讨论，从上式可以看出，当粒子的质量越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强；同样的，当粒子的动能越大时，这个粒子的波长就越短，因而这个粒子的波动性较弱，而粒子性较强，由于宏观世界的物体质量普遍很大，因而波动性极弱，显现出来的都是粒子性，这种波粒二象性，从某种子意义来说，只有在微观世界才能显现。
光电信息物理基础
光电信息物理基础1. 引言光电信息物理基础是光电信息科学与技术的基础课程之一，主要涉及光电物理学和光电子学的基本原理和应用，为研究光电传感器、光电器件以及光电子设备的设计和应用打下基础。
本文将介绍光电信息物理基础的主要内容，包括光电物理学和光电子学的基本原理、光电器件的种类和特性以及光电子设备的应用领域。
2. 光电物理学基本原理光电物理学是研究光与物质相互作用的学科，主要涉及光的传播规律、光的吸收和发射以及光与物质相互作用的基本过程。
常见的光电物理学原理包括：2.1 光的传播光的传播遵循光的几何光学理论和波动光学理论。
几何光学理论描述了光束在直线传播时的基本规律，如光的反射和折射。
波动光学理论则从波动的角度解释了光的传播现象，如衍射和干涉。
2.2 光的吸收和发射光的吸收与发射是光与物质相互作用的基本过程。
光通过与物质的相互作用，可以被物质吸收或者物质发射光。
这些过程可以通过光的能量和频率来描述。
2.3 光与物质相互作用光与物质相互作用包括光与原子、分子以及固体材料之间的相互作用。
光的能量可以激发物质的电子跃迁，产生吸收和发射现象。
其中，电子跃迁是光与固体材料相互作用的主要过程。
3. 光电子学基本原理光电子学是研究光电子器件和系统的学科，主要涉及光的探测、放大、调制和转换等原理和技术。
常见的光电子学原理包括：3.1 光电效应光电效应是指物质受到光照射后，电子从物质中被激发并逸出的现象。
根据光电效应的不同特征，可以将光电效应分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是光照射到材料表面产生的光电效应，常用于光电传感器的设计与应用。
内光电效应是光照射到材料内部产生的光电效应，常用于光电探测器和光电放大器等光电器件。
3.2 光电器件光电器件是用于探测、放大和转换光信号的设备。
常见的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电二极管阵列等。
这些器件基于光电效应的原理工作，可以将光信号转化为电信号或者电信号转化为光信号。
光电信息物理基础——数学基础
矢量函数对时间和空间坐标变量的微分，仍然是一个 矢量。
第一章 数学基础
矢量线
为形象描述矢量场在空间的分布状态，引入矢量线概 念。
矢量线上的每一点的切线方向都代表该点的矢量场方 向。
矢量场中的每一点均有唯一的一条矢量线通过。
所有矢量线充满了整个矢量所在空间。如：电力线、 磁力线就是电场和磁场的矢量线。
矢量A和矢量B的标量积记为A ·B。
是矢量A和矢量B的夹角。
第一章 数学基础
若将矢量A和矢量B用直角坐标系方法表示，则有
两矢量的标量积满足交换律和分配律
B
5.两矢量的矢量积记为
矢量积是一个矢量，大小等于
A
是矢量A和矢量B的夹角。
方向垂直于矢量A和矢量B所决定的平面。
第一章 数学基础
两矢量的矢量积不服从交换律，满足分配律
同向，大小为A的m倍。
单位矢量：大小为1的矢量。如A的单位矢量表示
为。
一个矢量可以用该矢量方向上的单位矢量和该矢量
的大小相乘所得，即：
第一章 数学基础
任意矢量都可以分解为几个矢量，特别是可以分解为 沿坐标轴的互相垂直的分量。如在笛卡尔坐标系中， 矢量A可以分解为：
为坐标轴方向的单位矢量。
4.两矢量的标量积
第一章 数学基础
在场中取一点 ,由 点引射线，其方向由方向余弦
（
）确定。在l上取另一点M。
记
,
,定义u在 点沿l的方向导数
为
M
方向导数描述u在 点沿l方向的变化率。 设函数u在 点可微，方向导数在直角坐标系下可表示为
式中
（1.2-3） 为函数u在该点的偏导数，
光电信息物理基础
光电信息物理基础涵盖了光电子学、量子光学、光电半导体、光纤通信等多个领域。
在现代通讯和信息技术领域中，光电子学和光电物理学的研究和应用越来越广泛。
在光电子学领域中，研究的主要问题是如何将光子与电子结合起来，开发出新的光学器件。
例如，光电二极管、光电导、光电输运器件等，这些设备可以将光信号释放为电信号，反之亦然。
另外，量子光学是研究光和物质的基本相互作用规律，这项研究的重点是利用量子力学与光的相互作用打开新突破口。
在光电半导体领域中，研究着关于半导体材
料的光发射现象。
半导体中，电洞与导带之
间能的大小决定了固体能带图像，光晕的出
现和消失受到了极大的影响。
光电半导体技
术的发展应用非常广泛，从LED的研发到太阳能电池，从光纤通信到激光器。
光纤通信是另一个光电子领域，其使用了光
纤作为传输媒介，将光的信号通过光纤传输，并将其转换为电信号。
光纤通信比起以往的
通信手段有很多优势，例如数据传输速度快、抗干扰性能强等。
总的来说，光电信息物理基础的研究和应用
为现代通讯、信息技术领域提供了非常重要
的支持，并且其发展前景广阔。
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课程名称：光电信息物理基础
学号 2014051105003
姓名刘丽
成绩
论LED恒流源的重要性
摘要：LED作为一种新型照明光源,具有发光效率高、寿命长、显色性好、绿色环保、不易
破损且易于进行数字控制等优点。
LED照明方式是一种低压安全的照明方式,需要设计合理
的LED驱动电源。
开关电源效率高,体积小,是LED驱动电源的首选,同时LED具有恒压负
载特性,其驱动电源一般采用恒流源。
恒流源是现代电子工业和科学实验不可或缺的仪器设备，广泛应用于电子测量、仪表调试、医疗器械和航空航天等领域。
随着电子技术的发展，数据采集与处理能力的不断提高，许多领域对恒流源的稳定度和精密度要求越来越高。
只有
具备高精度、高稳定度、低纹波、大量程及强可靠性等特点的恒流源，才有更多的实用价值。
一个产品的质量好坏取决于它的设计,如何提高恒流源的品质,提高其稳定性。
关键词：LED，驱动器，恒流源
LED恒流电源是led电源的一种,是采用开关电源变换器，做成隔离型的恒
流电源，其输出电流恒定且可调，设计时还要注意输入功率因数要高。
主要原因是：
1. 避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。
2. 获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。
LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。
而LED驱动电源的输出则
大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。
一、LED驱动一般特性要求
（1）高可靠性：特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便维修的花费也大。
（2）高效率：LED是节能产品，驱动电源的效率要高。
对于电源安装在灯具内
的结构尤为重要的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常
重要。
电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，
也就降低了灯具的温升,对延缓LED的光衰有利。
（3）高功率因素：功率因素是电网对负载的要求。
一般70瓦以下的用电器，没有
强制性指标虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大。
对于30 瓦至40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指
标要求。
（4）浪涌保护：LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。
加强这方面的保护也很重要。
有些LED灯装在户外，如LED路灯。
由于电网负载的启用和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。
因此LED 驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。
（5）保护功能：电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出
中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。
（6）防护方面：灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。
（7）驱动电源的寿命：要与LED的寿命相适配。
二、恒流模块的性能和特点
普通的稳压电源是在负载变化时，输出电压不变。
而恒流模块是一种在输入电压变化时保持输出电流恒定的一种电源。
在使用前，必须了解它的各种特点。
1. 电流的设定：一般恒流模块的输出电流都可以在很大的范围内根据用户的要求来调节，只要简单地改变一下输出电流设定电阻就可以了。
2．类型：恒流模块有升压型、降压型和升降压型三种。
选择哪一种完全是由所要求的输入电压和输出电压之间的关系而决定的。
但是如果从得到最大效率的观点出发，那么就应该选择降压型。
降压型就是输入的电压比较高。
所以输入的电流就比较小，这样由铜损所引起的损耗就比较小，而降压型的恒流模块通常有较高的效率。
所以，也一定要把负载中串联的LED数目尽量减少，以便能够采用降压型的恒流驱动模块。
3．输入电压和输出电压的关系
不管是升压型还是降压型恒流模块，其升压比或降压比都是越接近1时效率越高。
当然也不能等于1，而必须留出2-3V给恒流模块消耗。
而这完全是由路灯的整
灯设计所决定的。
所以在进行路灯的总体设计时就必须考虑这个因素来选择电源电压和负载串联的LED个数。
而不是设计好了再来要求恒流模块必须提供多高的效率。
4．调光能力：恒流模块通常都具有调光能力，而且这种调光能力并不是简单地调节其输出电流，而是采用一种称之为脉宽调制（PWM）的调光方法，它利用了LED的快速开关能力和人眼的视觉残留，使得看上去的亮度发生了变化。
从而避免了因为调节电流而产生的色谱的变化。
这种调光能力在路灯设计中是非常重要的，因为利用这种性能可以使路灯的亮度根据交通流量来变化，从而进一步实现了节能的目的。
在太阳能路灯中另一个需要考虑的问题是输入电压的变化对于恒流源的输出功率和效率来说，要得到最高的效率就要保持输入和输出电压的比值越接近1越好。
但是如果输入电压不稳。
那么就很难保持在最高效率的最佳状态。
太阳能LED路灯系统通常采用蓄电池作为能量储存单元。
而蓄电池在刚充满电和快放完电的时候电压会有较大的变化。
通常这种变化超过30%以上。
例如对于12V的蓄电池，其输出电压可以在14.8V变化到10.8V。
当然对于恒流模块来说，这样的变化是完全可以承受的。
也就是完全可以在这样大的变化范围内保持其输出电流的恒定。
但是这也是有代价的，那就是不能工作于最佳状态。
所谓最佳状态就是指效率最高的状态。
或是输出功率最高的状态。
对于恒流模块来说，不管是升压型还是降压型，只有当输出电压最接近输入电压的时候，效率最高。
通常输出电压是由负载决定的，是很少变化的。
所以当输入电压在一个范围内变化时，它的效率也跟着变化。
为了保证在最坏情况下也能工作，就不能工作在最佳状态了.
所以对于太阳能LED路灯的设计，3个蓄电池串联是不建议使用的，所以假如总功率大于60W，那时候太阳能电池板的尺寸也会过大而抗风力降低，所以建议采用可调光控制器，以尽量减少亮灯时间和亮度。
这样可以节约大约40-50%的容量。
在市电的情况下，当然最好是采用AC-DC直接恒流输出的方案。
但是这种方案大多数只能提供小功率输出（<40W）目前只有国外的少数公司才能够提供75W 功率输出的方案。
但是其电路十分复杂，价格贵，而且灵活性低。
国内的个别公司虽然也提供直接恒流输出的电源，但是通常只有单路输出。
如果要多路就必须定制（路数和每路电流）。
一方面提高了成本，而且将来要有任何变动都将是十分麻烦的事。
所以在市电的情况下最好先用恒压电源稳压然后再采用多个恒流模块恒流。
这样做的最大好处就是可以在各种不同的LED连接架构下得到最高的效率。
因为可以任意选择恒压源的输出电压而达到最佳的匹配。
而且灵活性高，很容易改变其组合。
参考文献：
[1] 吴光宇，“基于ARM的程控直流恒流源设计”,电子与通信工程，2014
[2] 李永康，“带PFC的照明LED恒流源的研”，交通信息工程及控制， 2012，
[3] 王斯一，“高稳定度恒流源关键技术研究”，集成电路工程， 2012。