第一章光電實(shí)際檢測(cè)實(shí)施技術(shù)基礎(chǔ)

本章著重介紹三個(gè)主要內(nèi)容：一、輻射量和光度量的定義及它們之間的換算關(guān)系；二、半導(dǎo)體光電器件的物理基礎(chǔ)，如能帶理論、PN結(jié)理論；三、光電效應(yīng)如半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)和光電發(fā)射等。這些是以后各章所述具體光電器件的理論基礎(chǔ)，對(duì)于正確理解和掌握各種光電器件的原理、性能和用法是十分重要的。第一章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1§1-1

光譜與光子能量§1-2

光度學(xué)(Photometry)

與輻射度學(xué)(Radiometry)§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

§1-4

光電效應(yīng)

§1-1

光譜與光子能量

一、光的主要性質(zhì)

二、電磁波譜與光譜

三、光電檢測(cè)的理論依據(jù)

光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。1.1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論。證明了光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性。

一、光的主要性質(zhì)：2.1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論。表現(xiàn)為光的干涉、衍射、偏振、反射、折射表現(xiàn)為光的發(fā)射、吸收、色散、散射

3.1905年，愛因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性。4

麥克斯韋

麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無(wú)線電工業(yè)的基礎(chǔ)。

1873年出版的《電學(xué)和磁學(xué)論》一書是集電磁學(xué)大成的劃時(shí)代著作，全面地總結(jié)了19世紀(jì)中葉以前對(duì)電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物種起源》和賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》相媲美的里程碑式的著作。

（1831-1879）

5

麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，引入位移電流的概念，建立了一組微分方程。這方程組確定電荷、電流（運(yùn)動(dòng)的電荷）、電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的普遍聯(lián)系，是電磁學(xué)的基本方程，麥克斯韋方程組的微分形式是E—電場(chǎng)強(qiáng)度B—磁場(chǎng)強(qiáng)度c—真空中的光速t—時(shí)間J—電流密度

ρ—電荷密度curl—旋度

div—散度

（1831-1879）

第一個(gè)方程表示磁場(chǎng)對(duì)位移電流密度（或電場(chǎng)的時(shí)間變化率）和傳導(dǎo)電流密度（或電荷的運(yùn)動(dòng)速度）的依賴關(guān)系。第二個(gè)方程是法拉第感應(yīng)定律。第三個(gè)方程表明除電源外，沒(méi)有其它磁場(chǎng)源。第四個(gè)方程相當(dāng)于庫(kù)侖定律。6

在第一個(gè)方程中，項(xiàng)麥克斯韋稱為位移電流，這是他在理論上的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，也是他建立麥克斯韋方程組的關(guān)鍵。

麥克斯韋方程組表明:空間某處只要有變化的磁場(chǎng)就能激發(fā)出渦旋電場(chǎng)，而變化的電場(chǎng)又能激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波。麥克斯韋方程還說(shuō)明:電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化，這個(gè)速度可表示為：

μ—介質(zhì)的磁導(dǎo)率，ε—介電常數(shù)或電容率由此式可證明電微波在以太（即真空）中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。這不是偶然的巧合，是由于光和電磁波在本質(zhì)上是相同的。光是一定波長(zhǎng)的電磁波，這就是麥克斯韋創(chuàng)立的光的電磁學(xué)說(shuō)。

（1831-1879）

7（1858-1947）

1、引入了著名的普朗克常數(shù)h。對(duì)黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)了熱物體輻射強(qiáng)度正比于它的絕對(duì)溫度，而反比于這個(gè)發(fā)射光線波長(zhǎng)的平方：

ρ(ν)＝(8πhν2/c3)·(1/ehν/KT-1)

其中引入了一個(gè)常數(shù)h，后來(lái)被稱為普朗克常數(shù)。1900年10月19日他在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的成果，普朗克公式被認(rèn)為是正確的普遍公式。普朗克認(rèn)為這個(gè)公式必能從某些理論中推導(dǎo)出來(lái)，經(jīng)典物理學(xué)的所有理論和方法他都試過(guò)了，但都失敗了。他從失敗中認(rèn)識(shí)到這個(gè)公式不能單純從經(jīng)典理論中推導(dǎo)出來(lái)。普朗克8（1858-1947）

2、提出了能量子假說(shuō)。能量子假說(shuō)的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開了一個(gè)缺口，為量子物理學(xué)安放了一塊奠基石，宣告量子物理學(xué)的誕生。普朗克在做出量子假說(shuō)時(shí)已年過(guò)四十。他受過(guò)嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事實(shí)的壓力，才不得不做出能量子的假說(shuō)。1900年12月14日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說(shuō)，卻受到冷遇，當(dāng)時(shí)沒(méi)有人相信他的假說(shuō)。

普朗克9（1858-1947）

3、能量子假說(shuō)。黑體是由許多振子組成的，振子的能量不可以連續(xù)地變化，當(dāng)它吸收和輻射頻率為ν的電磁波時(shí)只能是一份一份地進(jìn)行，每份能量為：E＝hν，每個(gè)振子的能量是這個(gè)基本能量單元的整數(shù)倍。他根據(jù)這個(gè)假設(shè)從理論上推導(dǎo)出了普朗克公式。普朗克10（1879-1955）

普朗克的量子假說(shuō)提出后的幾年內(nèi)，并未引起人們的興趣，愛因斯坦卻看到了它的重要性。他贊成能量子假說(shuō)，并從中得到了重要啟示：在現(xiàn)有的物理理論中，物體是由一個(gè)一個(gè)原子組成的，是不連續(xù)的，而光（電磁波）卻是連續(xù)的。在原子的不連續(xù)性和光波的連續(xù)性之間有深刻的矛盾。為了解釋光電效應(yīng)，1905年愛因斯坦在普朗克能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出了光量子假說(shuō)。

愛因斯坦大膽假設(shè)：光和原子電子一樣也具有粒子性，光就是以光速C運(yùn)動(dòng)著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。同普朗克的能量子一樣，每個(gè)光量子的能量也是E＝hν，根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式，每個(gè)光子的動(dòng)量為p＝E/c＝h/λ

列別捷夫（П.Н.Лебедевl866—1911）的光壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的動(dòng)量和能量的關(guān)系式。

愛因斯坦

11（1879-1955）

實(shí)驗(yàn)：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能從金屬表面打出電子。這個(gè)現(xiàn)象用光的波動(dòng)說(shuō)是解釋不了的。因?yàn)楣獾牟▌?dòng)說(shuō)認(rèn)為光是一種波，它的能量是連續(xù)的，和光波的振幅即強(qiáng)度有關(guān)，而和光的頻率即顏色無(wú)關(guān)，如果微弱的紫光能從金屬表面打出電子來(lái)，則很強(qiáng)的紅光應(yīng)更能打出電子來(lái)，而事實(shí)卻與此相反。愛因斯坦

12（1879-1955）

實(shí)驗(yàn)：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能從金屬表面打出電子。按照光量子假說(shuō)，光是由光量子組成的，光的能量是不連續(xù)的，每個(gè)光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功，從金屬表面打出電子來(lái)。微弱的紫光雖然數(shù)目比較少，但是每個(gè)光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來(lái)；很強(qiáng)的紅光，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個(gè)光量子的能量不夠大，不足以克服電子的逸出動(dòng)，所以不能打出電子來(lái)。1925年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)愛因斯坦

13電磁波譜及光譜圖

二、電磁波譜與光譜：14電磁波譜及光譜圖

1.電磁波譜分為長(zhǎng)波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。

二、電磁波譜與光譜：2.光電檢測(cè)技術(shù)只涉及光學(xué)區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機(jī)理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時(shí)覆蓋此區(qū)域。3.使用光學(xué)透鏡來(lái)接收輻射或聚焦成象。15

1.上面兩公式等號(hào)左邊表示光為微粒性質(zhì)（光子能量與動(dòng)量），等號(hào)右邊表示光為波動(dòng)性質(zhì)（電磁波頻率和波長(zhǎng)）。

三、光電檢測(cè)的理論依據(jù)：2.光電轉(zhuǎn)換一般使用固體材料，利用其量子效應(yīng)。從固體能級(jí)來(lái)說(shuō)，具有從0.1ev到幾個(gè)ev能量的轉(zhuǎn)換比較容易，即比較容易在十幾微米的紅外到0.2微米左右的紫外范圍內(nèi)進(jìn)行高效率的能量轉(zhuǎn)換。

光子能量公式：光子動(dòng)量公式：h：普郎克常數(shù)16§1-2

光度學(xué)(Photometry)

與輻射度學(xué)(Radiometry)常用輻射量和光度量一覽表常用光譜輻射量一覽表輻通量的光譜分布接收器的光譜響應(yīng)V(λ)又稱為視見函數(shù)17光電系統(tǒng)——光能的傳遞和接收系統(tǒng)。輻射——一種能的形式。輻射能從目標(biāo)(輻射源)發(fā)出后經(jīng)過(guò)中間介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)，最后被光電器件接收?！?-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)光度學(xué)是輻射度學(xué)的一部分或特例。這兩套參量的名稱、符號(hào)、定義式彼此對(duì)應(yīng)，基本都相同，只是單位不同。為了區(qū)別這兩種量，規(guī)定用下標(biāo)v和e表示。光能的強(qiáng)弱是否能使接收器感受，這是光電系統(tǒng)一個(gè)很重要的指標(biāo)光度學(xué)——研究對(duì)可見光的能量的計(jì)算方法學(xué)。它使用的參量稱為光度量。以人的視覺(jué)習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。

輻射度學(xué)——適用于整個(gè)電磁波譜的能量計(jì)算方法學(xué)。主要用于X光、紫外光、紅外光以及其他非可見的電磁輻射。18§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)名稱符號(hào)定義單位輻[射]能光能量QeQv以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。光通量對(duì)時(shí)間的積分。

焦[耳](J)流[明]秒(lm·s)輻[射能]通量光通量

Φe

Φv

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率。發(fā)光強(qiáng)度為Ιv的光源，在立體角元dΩ內(nèi)的輻通量，dΦv=Ιv·dΩ。

瓦[特](W)流[明](lm)輻[射]出[射]度

光出射度Μe

Μv

離開表面一點(diǎn)處面元的輻通量除以該面元面積。

離開表面一點(diǎn)處面元的光通量除以該面元面積。

瓦每平方米(W·m-2)流[明]每平方米(lm·m-2)輻[射]照度

[光]照度

Εe

Ev

照射到表面一點(diǎn)處面元上的輻通量除以該面元的面積。

照射到表面一點(diǎn)處面元上的光通量除以該面元的面積。

瓦每平方米(W·m-2)勒[克斯](lx)常用輻射量和光度量一覽表

19§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)常用輻射量和光度量一覽表(續(xù)前)

名稱符號(hào)定義單位輻[射]強(qiáng)度

發(fā)光強(qiáng)度

Ιe

Ιv

在給定方向上的立體角元內(nèi)，離開點(diǎn)輻射源或輻射源面元的輻射功率除以該立體角元。光度量中的基本量，單位為坎德拉cd。cd的意義為：頻率為540×1012Hz的單色輻射在給定方向上的輻射強(qiáng)度Ιe=1/683W·sr-1時(shí)，規(guī)定為1cd。

瓦每球面度(W·sr-1)坎[德拉](cd)輻射亮度

[光]亮度

Le

Lv表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。

瓦每球面度平

方米(W·sr-1·m-2)坎[德拉]每平方米(cd·m-2)曝光量

H光照度對(duì)時(shí)間的積分。

勒[克斯]秒(lx·s)20§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)常用光譜輻射量一覽表21§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)輻通量的光譜分布

輻射一般由各種波長(zhǎng)組成，每種波長(zhǎng)的輻通量各不相同?？偟妮椡繛楦鱾€(gè)組成波長(zhǎng)的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。輻通量的光譜分布曲線

22§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)

如圖，給定波長(zhǎng)λ0處極小波長(zhǎng)間隔dλ內(nèi)的輻通量dΦe稱為單色輻通量。

Φeλ=dΦe/dλ，Φeλ稱為光譜輻通量。

單色輻通量的積分為：

此式中Φe稱為多色輻通量。

此式中Φe稱為（全色）輻通量。輻通量的光譜分布曲線

23§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)接收器的光譜響應(yīng)1、許多接收器所能感受的波長(zhǎng)是有選擇性的。2、接收器對(duì)不同波長(zhǎng)電磁輻射的響應(yīng)程度(反應(yīng)靈敏度)稱為光譜響應(yīng)度或光譜靈敏度。3、對(duì)人眼來(lái)說(shuō)采用光譜光視效能K(λ)來(lái)表征不同波長(zhǎng)輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K(λ)為同一波長(zhǎng)下光譜光通量與光譜輻通量之比，即

K(λ)=Φvλ/Φeλ

由于人眼在頻率為540×1012Hz(λm=555nm，該波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng))的輻射下，K(λ)最大，記以Km，Km=683lm·W-1。4、對(duì)于某給定波長(zhǎng)下的Km，定義光譜光視效率V(λ)為

V(λ)=K(λ)/Km24§1-2

光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)V(λ)又稱為視見函數(shù)根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度。列于下圖：光譜光視效率V(λ)曲線

1.圖中實(shí)線為在視場(chǎng)較亮?xí)r測(cè)得的，稱為明視覺(jué)V(λ)曲線；2.虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱為暗視覺(jué)V(λ)曲線。3.對(duì)于暗視覺(jué)，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。4.所有光度計(jì)量均以明視覺(jué)的K(λ)為基礎(chǔ)。25§1-1

光譜與光子能量§1-2

光度學(xué)(Photometry)

與輻射度學(xué)(Radiometry)§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

§1-4

光電效應(yīng)

§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收能帶理論1．原子能級(jí)2．晶體能帶晶體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論1．原子能級(jí)能級(jí)（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。為簡(jiǎn)明起見，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線表示電子的能級(jí)，此圖稱為電子能級(jí)圖。29§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論2．晶體能帶能帶（EnegyBand）：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，以硅為例，每立方厘米的體積內(nèi)有5×1022個(gè)原子，原子之間的最短距離為0.235nm。致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來(lái)處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。30§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶示意圖

a)單個(gè)原子

b)N個(gè)原子原子能帶的表示方法31§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論不同材料的能帶表示a)絕緣體b)半導(dǎo)體c)金屬電子可以在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，所以導(dǎo)電性好，電阻率為10-6—10-3Ω·cm。32§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論晶體

1、現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料大多為晶體。

2、晶體中原子有序排列，非晶體中原子無(wú)序排列。

3、晶體分為單晶與多晶：

晶體實(shí)物圖單晶——在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。多晶——只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無(wú)規(guī)則排列的晶粒界隔開。33§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論

晶體構(gòu)造示意圖(a)金剛石結(jié)構(gòu)（Ge、Si晶體）

(b)閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAs晶體）34§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論本征半導(dǎo)體1、結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。例如純凈的硅稱為本征硅。2、本征硅中，自由電子和空穴都是由于共價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的，所以電子濃度n等于空穴濃度p，并稱之為本征載流子濃度ni。3、ni隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小。4、室溫下硅的ni約為1010/cm3。35§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論雜質(zhì)半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體。2、雜質(zhì)成分與含量對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。3、在技術(shù)上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來(lái)控制半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。36§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論N型半導(dǎo)體1、在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入五價(jià)原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導(dǎo)體。2、在晶格中某個(gè)硅原子被磷原子所替代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周圍的四價(jià)原子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此多余電子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。3、易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)ED。ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底。ED與Ec間的能量差稱為施主電離能。4、N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。37§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論P(yáng)型半導(dǎo)體1、在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入三價(jià)原子，例如硼（B），形成P型半導(dǎo)體。2、晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個(gè)價(jià)電子和周圍的硅原子中四個(gè)價(jià)電子要組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。3、容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)EA，也位于禁帶中。在價(jià)帶頂Ev附近，

EA與Ev間能量差稱為受主電離能。4、P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。38§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子(多子)少數(shù)載流子(少子)特性N型施主雜質(zhì)電子空穴電子濃度nn≥空穴濃度pnP型受主雜質(zhì)空穴電子電子濃度np≤空穴濃度pp39能帶理論N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較雜質(zhì)硅的原子圖象和能帶圖

a)N型半導(dǎo)體

b)P型半導(dǎo)體§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

40§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響的理論解釋

半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。41§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

熱平衡態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)

1、在一定溫度下，若沒(méi)有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。

2、電子從不斷熱振動(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。

3、在熱激發(fā)同時(shí)，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。

4、在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過(guò)程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。43§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

熱平衡態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)時(shí)的載流子濃度

熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：1、在能帶中能態(tài)（或能級(jí)）的分布。2、這些能態(tài)中每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。44§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

熱平衡態(tài)下的載流子能態(tài)分布規(guī)律1、根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。2、在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即：f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率分布函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/KT：絕對(duì)溫度EF：費(fèi)米能級(jí)45§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

熱平衡態(tài)下的載流子能態(tài)分布規(guī)律中的幾個(gè)結(jié)論1、EF為表征電子占據(jù)某能級(jí)E的概率的“標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價(jià)帶中空穴的多少。2、當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2，它并不代表可為電子占據(jù)的真實(shí)能級(jí)，只是個(gè)參考能量。3、在量子統(tǒng)計(jì)中EF應(yīng)視為固體中電子的化學(xué)勢(shì)。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線

46§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

熱平衡態(tài)下的載流子電子占據(jù)的概率的能帶表述以EF來(lái)定性表示兩能帶中載流子的濃度

a)重?fù)诫sP型

b)輕摻雜P型

c)本征型d)輕摻雜N型

e)重?fù)诫sN型47§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收非平衡載流子的概念1、半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。2、載流子濃度對(duì)于熱平衡狀態(tài)時(shí)濃度的增量稱為非平衡載流子。

電注入：通過(guò)半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價(jià)帶中的電子吸收了光子能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。49非平衡載流子的概念產(chǎn)生—使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生率—單位時(shí)間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對(duì)數(shù)目復(fù)合—使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合復(fù)合率—單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對(duì)數(shù)目

非平衡載流子壽命τ—非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢。采用光激發(fā)方式的光生載流子壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。τ的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。50以N型半導(dǎo)體為例，說(shuō)明在非平衡狀態(tài)下載流子濃度nn：N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子的濃度pn：N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴的濃度nn0：光照前一定溫度下熱平衡時(shí)電子的濃度pn0：光照前一定溫度下熱平衡時(shí)空穴的濃度Δnn：非平衡載流子電子的濃度Δpn：非平衡載流子空穴的濃度nn＝nn0+Δnnpn＝pn0+ΔpnΔnn≈Δpn51以N型半導(dǎo)體為例，說(shuō)明在非平衡狀態(tài)下載流子濃度光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入滿足

nnpn?nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱為強(qiáng)光注入；滿足

nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn條件的注入稱為弱光注入。對(duì)于弱光注入有：

nn=nn0+Δnn≈nn0

pn=pn0+Δpn≈Δpn52以N型半導(dǎo)體為例，說(shuō)明在非平衡狀態(tài)下載流子濃度例如：一N型硅片，室溫下，nn0=5.5×1015cm-3，pn0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此時(shí)非平衡載流子濃度

nn=nn0+Δnn=1015+1010≈1015cm-3

pn=pn0+Δpn=104+1010≈1010cm-3受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對(duì)光的響應(yīng)都是少子行為。53復(fù)合機(jī)制

直接復(fù)合—導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。間接復(fù)合—通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合。復(fù)合中心—禁帶中雜質(zhì)及缺陷。電子俘獲—電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲?？昭ǚ@—電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲。電子發(fā)射—電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射?？昭òl(fā)射—電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心1—電子俘獲

2—空穴俘獲

3—電子發(fā)射

4—空穴發(fā)射54表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過(guò)程稱為表面復(fù)合。55光注入過(guò)程的機(jī)制1、在光照過(guò)程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在。2、在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時(shí)復(fù)合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。3、當(dāng)光照停止，光致產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。56§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

載流子的運(yùn)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)的概念1、電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)類似。2、當(dāng)沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，電子作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均定向速度為零。3、一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒(méi)有電流。4、漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。58§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

載流子的運(yùn)動(dòng)載流子漂移1、載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為漂移。2、在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由于飽和或雪崩擊穿,半導(dǎo)體會(huì)偏離歐姆定律。3、在弱電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)服從歐姆定律。4、討論漂移運(yùn)動(dòng)的重要參量：

遷移率μ（電子遷移率μn，空穴遷移率μp），μ的大小主要決定于晶格振動(dòng)及雜質(zhì)對(duì)載流子的散射作用。

59§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

載流子的運(yùn)動(dòng)載流子擴(kuò)散1、載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。2、光注入時(shí)，光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。3、受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開表面距離x的增大而減小，因此非平衡載流子就要沿x方向從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新達(dá)到均勻分布。60§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

載流子的運(yùn)動(dòng)載流子漂移與擴(kuò)散的并存1、在半導(dǎo)體既受光照，又外加電場(chǎng)時(shí)，擴(kuò)散與漂移同時(shí)存在。2、擴(kuò)散系數(shù)D（D表示擴(kuò)散的難易）與遷移率μ（μ表示遷移的快慢）之間有愛因斯坦關(guān)系式：D=(kT/q)μkT/q室溫下為0.026V，D與μ成正比。

3、電子與空穴沿x軸擴(kuò)散，但Dn≠Dp，故它們引起的擴(kuò)散流不能抵消。在電場(chǎng)中多子、少子均作漂移運(yùn)動(dòng)，因多子數(shù)目遠(yuǎn)比少子多，所以漂移流主要是多子的貢獻(xiàn)。4、在擴(kuò)散時(shí)，如光照產(chǎn)生非平衡載流子，此時(shí)非平衡少子的濃度梯度最大，所以對(duì)擴(kuò)散流的貢獻(xiàn)主要是少子。

61§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體光電器件的工作基礎(chǔ)1、半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。2、光垂直入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強(qiáng)遵照吸收定律：Ix=I0(1-r)e-αx

Ix：距離表面x處的光強(qiáng)

I0：入射光強(qiáng)

r：材料表面的反射率α：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)

光垂直入射于半導(dǎo)體表面時(shí)發(fā)生反射與吸收63§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體的光本征吸收1、半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過(guò)程叫本征吸收。2、產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即

hν≥Eg從而有ν0≥Eg/hλ0≤h/Eg=1.24μm·eV/Egh：普朗克常數(shù)c：光速ν0：材料的頻率閾值λ0：材料的波長(zhǎng)閾值64§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體對(duì)光的吸收幾種重要半導(dǎo)體材料的波長(zhǎng)閾值材料溫度/KEg/eVλ/μm材料溫度/KEg/eVλ/μmSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1Gap3002.240.55PbS2950.432.9

65§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體的光非本征吸收

非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。

1、雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長(zhǎng)閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。2、自由載流子吸收：導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。

66§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體的光非本征吸收3、激子吸收：價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。4、晶格吸收：半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收67§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

能帶理論熱平衡態(tài)下的載流子非平衡態(tài)下的載流子載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收§1-4

光電效應(yīng)

§1-4

光電效應(yīng)

光電效應(yīng)的定義與分類光電效應(yīng)的定義

因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。

本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對(duì)論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎(jiǎng)是由于他對(duì)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

70（1879-1955）

實(shí)驗(yàn)：微弱的紫光能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅光卻不能從金屬表面打出電子。按照光量子假說(shuō)，光是由光量子組成的，光的能量是不連續(xù)的，每個(gè)光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功，從金屬表面打出電子來(lái)。微弱的紫光雖然數(shù)目比較少，但是每個(gè)光量子的能量卻足夠大，所以能從金屬表面打出電子來(lái)；很強(qiáng)的紅光，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個(gè)光量子的能量不夠大，不足以克服電子的逸出動(dòng)，所以不能打出電子來(lái)。1925年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)愛因斯坦

71光電效應(yīng)的定義與分類光電效應(yīng)的分類內(nèi)光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)：電導(dǎo)率發(fā)生變化

光伏效應(yīng)：產(chǎn)生光電勢(shì)外光電效應(yīng)

光電發(fā)射效應(yīng)：當(dāng)光照射到物體上使物體向真空中發(fā)射電子§1-4

光電效應(yīng)

72光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)的定義1、光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。2、當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大?！?-4

光電效應(yīng)

73光電導(dǎo)效應(yīng)穩(wěn)態(tài)光電流本征半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)圖

1、半導(dǎo)體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)。

2、有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。

3、亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。

§1-4

光電效應(yīng)

74光電導(dǎo)效應(yīng)穩(wěn)態(tài)光電流暗態(tài)下：

Gd=σd·A/L,

Id=GdU=σd·AU/L亮態(tài)下：

Gl=σl·A/L,

Il=GlU=σl·AU/L亮態(tài)與暗態(tài)之差

Gp=Gl-Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il-Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/LA：半導(dǎo)體材料橫截面面積L：半導(dǎo)體材料長(zhǎng)度I：電流U：外加電壓

G：電導(dǎo)σ：電導(dǎo)率Δσ：光致電導(dǎo)率變化量，下標(biāo)d代表暗，l代表亮，p代表光。靈敏度一般指單位照度所引起的光電流量

§1-4

光電效應(yīng)

75光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)弛豫過(guò)程1、電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過(guò)程或惰性。

2、對(duì)光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來(lái)描述弛豫過(guò)程的長(zhǎng)短。τr表示光生載流子濃度從