輻射度量及探測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

輻射度量及探測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)光輻射度量與光度量第二節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第三節(jié)光電效應(yīng)第2頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.1

輻射度量與光度量及其單位輻射度量學(xué)描述整個(gè)電磁波譜范圍的電磁輻射，以輻射能量或輻射功率為基本量。而光度學(xué)描述可見(jiàn)光譜范圍的電磁輻射，以光強(qiáng)為基本單位。光只是電磁波譜范圍內(nèi)一小段波譜。一、輻射度量及其單位1、輻射能和單位輻射能指?jìng)鞑サ碾姶挪ǖ哪芰浚肣e表示，單位為焦耳，符號(hào)為J。它是輻射度量學(xué)的基本量之一.輻射能用于度量脈沖輻射較方便。每個(gè)脈沖的能量。（一）、復(fù)色輻射度量及單位第3頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、輻射功率（通量）和單位輻射功率（通量）定義為單位時(shí)間內(nèi)輻射的電磁波能量，單位為焦耳/秒，即瓦特，符號(hào)w。輻射通量用于度量連續(xù)輻射較方便。數(shù)學(xué)表示：3、輻射強(qiáng)度和單位輻射強(qiáng)度是對(duì)點(diǎn)光源而言的，它定義為點(diǎn)發(fā)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射功率，單位W/Sr。數(shù)學(xué)表示：式中

，

為球坐標(biāo)系中的方位角。第4頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、輻射出射度和單位輻射出射度是對(duì)擴(kuò)展發(fā)射源定義的。它定義為單位面積輻射源所輻射的輻射通量。單位為：瓦/米2（W/M2)。數(shù)學(xué)表示：5、輻射亮度和單位輻射亮度也是對(duì)擴(kuò)展光源定義的。它定義為在給定方向上由單位投影面積輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的通量。單位為瓦/米2/球面度，符號(hào)為W/Sr/M2。數(shù)學(xué)表示：第5頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天6、輻射照度和單位輻射照度對(duì)輻射接受體定義，它定義為單位接收面積上所接受到的輻射通量，單位為瓦/米2，符號(hào)W/M2。數(shù)學(xué)表示：第6頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量的光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長(zhǎng)的單色輻射所組成，為了研究各種波長(zhǎng)的輻射通量，需要對(duì)某一波長(zhǎng)的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度量是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射度量。

（二）、光譜輻射度量及單位第7頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、單色輻射能和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射能。單位為J/M，數(shù)學(xué)表示：第8頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、單色輻射通量和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量，單位為W/M，數(shù)學(xué)表示：3、單色輻射強(qiáng)度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度，單位為W/Sr/M，數(shù)學(xué)表示：第9頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、單色輻射出射度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射出射度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：5、單色輻射亮度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射亮度，單位為W/Sr/M3，數(shù)學(xué)表示：第10頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天6、單色輻射照度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射照度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：（三）、光譜輻射度量及積分（復(fù)色）輻射度量的關(guān)系任一光譜輻射度量Xe(

)與其對(duì)應(yīng)的復(fù)色輻射度量Xe之間通過(guò)積分關(guān)系連接：第11頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天所謂光度量指描述人眼可見(jiàn)電磁波段范圍的電磁輻射的量?？梢?jiàn)電磁輻射通常稱為“光”，所以，把描述可見(jiàn)電磁輻射的量稱為光度量。光度量采用與輻射度量完全不同的另一套單位。二、光度量及其單位

由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來(lái)評(píng)定的，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺(jué)的光學(xué)參數(shù)量即光度量來(lái)描述。光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺(jué)強(qiáng)度值。能量相同而波長(zhǎng)不同的光，對(duì)人眼引起的視覺(jué)強(qiáng)度是不相同的。第12頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（一）、人眼的視覺(jué)特征人眼就象一個(gè)探測(cè)器，它對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁輻射具有不同的靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)540*1012Hz或555nm的電磁輻射最靈敏，即人眼對(duì)這一波長(zhǎng)的單位輻射通量所產(chǎn)生的響應(yīng)最大。國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定這一最大響應(yīng)值為683（流明/瓦）1、光視效能人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的單位輻射通量的響應(yīng)，稱為光視效能，用K(

)表示，其最大值為Km=683（流明/瓦）(lm/W)。2、光視效率歸一化光視效能稱為光視效率，記為V(

)，V(

)=K(

)/Km第13頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同顏色的可見(jiàn)光不僅顏色感覺(jué)不同，而且亮度感覺(jué)也不同。

如果把能量相等的各種波長(zhǎng)的光引向眼睛，則會(huì)發(fā)現(xiàn)：對(duì)波長(zhǎng)為555納米的黃綠色光看上去最亮，黃光和青光較亮，而紅光和紫光就很弱。這就是說(shuō)，人眼對(duì)黃綠色光感覺(jué)最靈敏，對(duì)黃、青光還相當(dāng)靈敏，而對(duì)紅、紫光就不靈敏。

人眼的這種感覺(jué)特性可以用曲線表示出來(lái)，如圖所示，稱為眼睛的光譜相對(duì)靈敏度曲線，我們通常把它叫做視見(jiàn)函數(shù)曲線。第14頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

圖中實(shí)線為視線較亮?xí)r測(cè)得的，稱為明視覺(jué)曲線。虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱為暗視覺(jué)曲線。所有光度計(jì)量均以明視覺(jué)為基礎(chǔ)。第15頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）、光度量及單位1、復(fù)色光度量(1)、光通量

v它定義為光源單位時(shí)間內(nèi)輻射的光功率，符號(hào)為

v，單位為流明（lm）?；締挝唤M合表示為Cd.Sr，即1lm=1Cd.Sr光度學(xué)中的基本量選為發(fā)光光強(qiáng)，其單位為坎德拉，簡(jiǎn)稱坎，符號(hào)為Cd。“坎德拉”是國(guó)際單位中七個(gè)基本單位之一。一“坎德拉”定義為：點(diǎn)發(fā)光源向給定方向發(fā)出540*1012Hz或555nm的電磁輻射，其輻射強(qiáng)度為1/683W/Sr。其它光度量的單位只能是“坎”和其它基本單位的組合。第16頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天它是光度學(xué)的基本量，單位為坎德拉。(2)、光量Qv它定義為光源輻射的光能量，單位lm.s(3)、光強(qiáng)度Iv(

,

)(4)、光出射度Mv定義為面光源單位面積發(fā)射的光通量，單位lm/m2.數(shù)學(xué)表示：第17頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天(5)、發(fā)光亮度Lv定義為單位投影面積光源向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，單位為坎/米2，記Cd/m2，又稱尼特，符號(hào)nt。數(shù)學(xué)表示：(6)、光照度Ev定義為單位接受面積上所接收的光通量，單位為lm/m2，又稱勒克斯（Lux)。數(shù)學(xué)表示：式中*號(hào)表示接收有關(guān)的量。第18頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、單色光度量與光譜輻射度量定義類(lèi)似，同樣可以定義單色光度量，Qv(

)，

v(

)，Iv(

)，Mv(

)，Lv(

)和Ev(

)六個(gè)單色光度量。3、單色光度量與復(fù)色光度量的聯(lián)系任一單色光度量Xv(

)與其對(duì)應(yīng)的復(fù)色光度量Xv之間存在關(guān)系：第19頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天光度量與輻射度量之間通過(guò)光視效能聯(lián)系起來(lái)。光視效能K(

)單色輻射度量Xe(

)單色光度量Xv(

)X復(fù)色輻射度量Xe復(fù)色光度量Xv三、光度量與輻射度量的轉(zhuǎn)換第20頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

光度量只在光譜的可見(jiàn)波段(380-780nm)才有意義。輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)單位輻射能QeJ光量Qlm.s輻射通量Φ

eW光通量Φlm（流明）輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉）=lm/sr輻射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2輻射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2輻射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2第21頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天光輻射基本定律和公式（1）朗伯定律理想的漫射發(fā)光或漫反射面，在某方向上的輻射強(qiáng)度同該方向與表面法線夾角呈余弦函數(shù)關(guān)系，若發(fā)光面法線方向的發(fā)光強(qiáng)度為I0,則與法線夾角為θ的方向的發(fā)光強(qiáng)度為：Iθ

=I0cosθ（2）布給定律被照射面上的照度E同垂直照明時(shí)照度E0的關(guān)系是：E=E0cosθ（3）平方反比定律由點(diǎn)光源形成的照度，與該光源在一定方向上的發(fā)光強(qiáng)度成正比，而與被照面到點(diǎn)光源的距離平方成反比。即E=I/l2第22頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）亮度守恒定律光輻射能在兩種介質(zhì)邊界面上沒(méi)有吸收、反射等損失時(shí)，則在兩種介質(zhì)里的亮度滿足關(guān)系：在一般成像光學(xué)系統(tǒng)中，像面亮度L’與物體亮度L有如下關(guān)系：L’=τ(n’/n)2L

式中n，n’——物、像空間折射率；τ——光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率光輻射能在同種傳輸介質(zhì)中沒(méi)有損失時(shí)，表面2的亮度和表面1的亮度是相等的。第23頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（5）普朗克定律黑體的光譜輻射出射度同波長(zhǎng)λ、絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系式：式中：c-光速；k-玻爾茲曼常數(shù)；h-普朗克常數(shù)。第24頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（6）斯特芬——玻爾茲曼定律黑體輻射全部波長(zhǎng)成分的總輻射出射度與黑體的絕對(duì)溫度的四次方成正比。即：

MeB(T)=σT4

式中σ=5.67×10-8W·m-2·K-4，稱為斯特芬——玻爾茲曼常數(shù)。黑體的峰值輻射波長(zhǎng)λm隨輻射體絕對(duì)溫度T的變化呈反比關(guān)系：

λmT=2897.8μm·K（7）維恩位移定律第25頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

光輻射源按發(fā)光機(jī)理，光電檢測(cè)系統(tǒng)中的光源分為：熱輻射光源：太陽(yáng)；白熾燈；黑體輻射。氣體放電光源：汞燈；熒光燈；鈉燈；氙燈；金屬鹵化物燈；氘燈；空心陰極燈。固體發(fā)光光源：場(chǎng)致發(fā)光燈；發(fā)光二極管。激光器：氣體激光器；固體激光器；染料激光器；半導(dǎo)體激光器。第26頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天光源的基本特性參數(shù)（1）輻射效率和發(fā)光效率在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某光源發(fā)出的輻射通量與所消耗的電功率之比稱為該光源在此光譜范圍內(nèi)的輻射效率：

某光源發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所消耗的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率：第27頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天常用光源的發(fā)光效率光源ηv/lm·W-1光源ηv/lm·W-1鎢絲燈8~18高壓汞燈30~40鹵鎢燈14~30高壓鈉燈90~100普通熒光燈35~60球形氙燈30~40三基色熒光燈55~90高亮度LED70~120金屬鹵化物燈60~80第28頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天?物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在10－6～10－3Ω?cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于1012Ω?cm

以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體第二節(jié)、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第29頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天?半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對(duì)溫度的變化非常敏感。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。一、半導(dǎo)體的特性第30頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過(guò)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖a)絕緣體

b)半導(dǎo)體

c)金屬2、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制第31頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天?半導(dǎo)體兩端加電壓后:如果價(jià)帶中填滿了電子而沒(méi)有空能級(jí)，在外電場(chǎng)的作用下，又沒(méi)有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶(滿帶)第32頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天如果價(jià)帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價(jià)帶中留空位，鄰近能級(jí)上的電子在電場(chǎng)作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來(lái)的能級(jí)上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來(lái)熱運(yùn)動(dòng)上迭加定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶第33頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級(jí)，所以在外電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級(jí)上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶第34頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天?價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級(jí)是空的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶第35頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(kāi)。

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（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無(wú)序排列）。晶體分為單晶與多晶：4、半導(dǎo)體的分類(lèi)第36頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑴本征半導(dǎo)體

?完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

在沒(méi)有外界作用和絕對(duì)零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒(méi)有電子，價(jià)帶中沒(méi)有空穴，它是不導(dǎo)電的。

由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價(jià)電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。第37頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天?晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級(jí)和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體第38頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天N型半導(dǎo)體

在晶格中摻入某個(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?chē)乃膬r(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。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EC

。ED與EC間的能量差稱為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。第39頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天P型半導(dǎo)體

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?chē)墓柙又兴膫€(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。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。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。第40頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：

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。(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體第41頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。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。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。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)的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。熱平衡載流子第42頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。

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

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)：一是在能帶中能態(tài)（或能級(jí)）的分布，二是這些能態(tài)中每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(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)第43頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2當(dāng)E<EF時(shí)，f(E)>1/2當(dāng)E>EF時(shí)，f(E)<1/2第44頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天若(E－EF)>>kT時(shí)

隨著E的增加，f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底EC附近。同樣價(jià)帶中空穴的絕大部分都在價(jià)帶頂EV附近。

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。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對(duì)于本征半導(dǎo)體EF≈(EC+EV)/2第45頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。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。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。載流子的運(yùn)動(dòng)第46頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、擴(kuò)散

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)。

圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開(kāi)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。第47頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、漂移

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。

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。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。I=V/RJ=σE電導(dǎo)率σ=nqμn,E>103~105V/cm,μn(E)E>105V/cm,n(E)第48頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為本征吸收。

物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。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)。1、本征吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收第49頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。即第50頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、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)。第51頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、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。4、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(kāi)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)。第52頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、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。對(duì)于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬(wàn)倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對(duì)波長(zhǎng)大于1.15μm的可見(jiàn)光透明。第53頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量。把N型、P型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來(lái)，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。1、PN結(jié)原理半導(dǎo)體的PN結(jié)第54頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在無(wú)外電場(chǎng)或其它因素激發(fā)時(shí)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒(méi)有電流流過(guò)?？臻g電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值。空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子，所以又稱耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。

第55頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天PN結(jié)加正向電壓的情況工作原理——在外加電場(chǎng)的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過(guò)回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)閁bo-U。一般只有零點(diǎn)幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。通常在回路中串入一個(gè)電阻用以限制電流。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?6頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天PN結(jié)加反向電壓的情況工作原理——在外加電場(chǎng)的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時(shí)少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過(guò)零點(diǎn)幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流第57頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種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(ài)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)。第三節(jié)、光電效應(yīng)第58頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天z外光電效應(yīng)——物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。光電效應(yīng)分類(lèi)：z內(nèi)光電效應(yīng)——物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。第59頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、光電導(dǎo)效應(yīng)：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)。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。

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)；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。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。第60頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑴光電導(dǎo)體的靈敏度

在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。第61頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)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

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