光电信息技术课件第1章第1节理论基础.ppt

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1、上一张上一张章首章首下一张下一张结束结束节首节首目录目录第一章 光电信息技术物理基础第一节理论基础11.1.1 1.1.1 能带理论能带理论 能带能带：是现代物理学描写固体中原子外层电子运动是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。的一种图象。孤立原子孤立原子两个原子两个原子多个原子（晶格）多个原子（晶格）图1.1.1-2 原子的能限和结晶格中的能带之比较2v 金属（导体）金属（导体）图1.1.1-3导体内的能带 在外界电场的作用下，价带内的在外界电场的作用下，价带内的最上面的电子在不违反不相容原理的最上面的电子在不违反不相容原理的情况下获得一些额外的少许能量而到情况下获得一些额外的少

2、许能量而到能带内附近许多空的状态去能带内附近许多空的状态去。与与无序的热激发明显不同的是受无序的热激发明显不同的是受电场激发的电子在与场相反的方向上电场激发的电子在与场相反的方向上获得动量，结果在晶体内产生一种集获得动量，结果在晶体内产生一种集体运动，从而构成电流。体运动，从而构成电流。结论：具有如图结论：具有如图1.1.1-3 1.1.1-3 所示那样能带结构的物质应为良所示那样能带结构的物质应为良导体，换句话说，良导体导体，换句话说，良导体(也称金属也称金属)是那些最高能带未被是那些最高能带未被完全填满的固体。完全填满的固体。3v 半金属半金属 有一些物质，它们的原子具有满充壳层，但在固体

3、时有一些物质，它们的原子具有满充壳层，但在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，它们成为导体；由于最上面的满带和一个空带重叠的话，它们成为导体；人们常称这些物质为半金属。人们常称这些物质为半金属。镁（镁（1s22s22p63s2)晶体能带晶体能带未满带未满带未满带未满带满满 带带4v 绝缘体绝缘体 如如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重叠。由于价带的所有状态都被占有，电子的能量被由于价带的所有状态都被占有，电子的能量被”冻结冻结”，即电，即电子不可能改变它们在能带中的状态而不违背不相容原理。激发一个电子不可能改

4、变它们在能带中的状态而不违背不相容原理。激发一个电子的唯一可能性是把它转移到空的导带中；但这可能需要几个电子伏子的唯一可能性是把它转移到空的导带中；但这可能需要几个电子伏特的能量，因此，一个外加的电场就无法使价带中的电子加速，因而特的能量，因此，一个外加的电场就无法使价带中的电子加速，因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。(见见下下图图)5 对对于于具具有有与与绝绝缘缘体体同同样样能能带带图图的的硅硅和和锗锗，由由于于原原子子的的平平衡衡间间距距下下价价带带与与导导带带之之间间的的能能隙隙要要小小得得多多(在在硅硅中中为为 1.1 1.1 eVeV

5、，在在锗锗中中为为 0.7 0.7 eVeV )，于于是是要要将将价价带带中中最最上上面面的的电电子子激激发发到到导导带带内内时时就容易得多了。图就容易得多了。图1.1.1-6 1.1.1-6 中示出这种情况。中示出这种情况。半半导导体体是是这这样样一一些些绝绝缘缘体体，它它们们的的价价带带和和导导带带之之间间的的能能隙隙约约为为 1 1 eV eV 或或更更小小，因因而而比比较较容容易易用用加加热热方方法法把把电电子子从价带中激发到导带中。从价带中激发到导带中。图1.1.1-6 半导体内的能带v 半导体半导体6电子跃迁导致：电子跃迁导致：在在上上面面的的导导带带中中少少数数电电子子所所起起的

6、的作作用用和和它它们们在在金金属属中中所所起起的作用相同的作用相同 而而价价带带中中留留下下的的空空态态即即空空穴穴起起着着类类似似的的作作用用，不不过过它它们们好好象是正的电子象是正的电子因因此此，它它们们有有来来自自导导带带中中的的激激发发电电子子和和来来自自价价带带中中的的空空穴穴的的导导电电性性；温温度度升升高高时时，由由于于有有更更多多的的电电子子被被激激发发到到导导带带，所所以以电导率随温度而迅速增加。电导率随温度而迅速增加。例例：当当硅硅晶晶体体温温度度从从250 250 K K 增增加加到到450 450 K K 时时，激激发发电电子子的的数数目目增加增加10106 6 倍。倍

7、。7 本征半导体本征半导体 完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 半导体分类半导体分类8 N N型半导体型半导体 每个硅或锗原子贡献每个硅或锗原子贡献4 4个电子给价带，而每个磷或砷原子贡献个电子给价带，而每个磷或砷原子贡献5 5个个电子给价带，因此，如果我们把若干磷或砷原子加进硅或锗中，则每电子给价带，因此，如果我们把若干磷或砷原子加进硅或锗中，则每增加增加一个杂质原子，就一个杂质原子，就多多一个额外电子。一个额外电子。这些额外的电子这些额外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中它们不能被容纳在

8、原来结晶体的价带中)占有恰在占有恰在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特(图图1.1.1-7 1.1.1-7 a)a)。这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；这种半导体叫做这种半导体叫做 n n 型半导体。型半导体。图1.1.1-7 半导体中的杂质：(a)施主或 n 型9 P P型半导体型半导体 杂杂质质原原子子可可以以比比半半导导体体原原子子

9、具具有有较较少少的的电电子子。在在基基质质物物质质为为硅硅和和锗锗的的情情况况下下，杂杂质质原原子子可可以以是是硼硼或或铝铝，这这两两种种原原子子都都只只贡贡献献3 3 个个电电子子。在在这这种种情情况况下下，杂杂质质引引进进空空的的分分立立能能级级 ，这这些些能能级级的的位位置置很很靠靠近近价价带带顶顶(图图1.1.1-7 1.1.1-7 b b)。因因此此，容容易易把把价价带带中中一一些些具具有有较较高高能能量量的的电电子子激激发发到到杂杂质质能能级级上上。这这个个过过程程在在价价带带中中产产生生空空态态即即空空穴穴。这这些些电电子子起起着着正正电电子子的的作作用用。这这种种杂杂质质原原子

10、子叫叫做受主，这种半导体叫做做受主，这种半导体叫做 p p 型半导体。型半导体。图1.1.1-7 半导体中的杂质：(b)受主，或 p 型101.1.1.1.2 2 光电效应光电效应光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应光电热效应光电热效应11一、外光电效应（光电发射效应）一、外光电效应（光电发射效应）是是指物体受到光照后向外发射电子的现象指物体受到光照后向外发射电子的现象。1 1、光电发射第一定律光电发射第一定律 当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和饱和光光电发射电发射电流电流 I IK K 与被

11、与被阴极所吸收的光通量阴极所吸收的光通量K K 成正比。成正比。即即 I IK K=S SK K K K式中式中S SK K 为表征光电发射灵敏度的系数。为表征光电发射灵敏度的系数。12 2、光电发射第二定律光电发射第二定律 发射出光电子的发射出光电子的最大动能随最大动能随入射光频率的入射光频率的增高而线性地增高而线性地增大，而与增大，而与入射光的入射光的光强无关。即光强无关。即光电子发射的能量关系符光电子发射的能量关系符合合爱因斯坦方程：爱因斯坦方程：h h：普朗克恒量（普朗克恒量（6.6260556.6260550.00000400.00000401010-34-34J.sJ.s）；）；V

12、 V：入射光频率；入射光频率；m me e：光电子的质量；光电子的质量；v vmaxmax:出射光电子的出射光电子的最大速率；最大速率；O:O:光电阴极的光电阴极的逸出功。逸出功。13 3 3、光电发射第三定律、光电发射第三定律 当当光光照照射射某某一一给给定定金金属属或或某某种种物物质质时时，无无论论光光的的强强度度如如何何，如如果果入入射射光光的的频频率率小小于于这这一一金金属属的的红红限限0 0，就就不不会会产产生生光光电电子子发发射射。显显然然，在在红红限限处处光光电电子子的的初初速速应应该为零，因此，金属的该为零，因此，金属的红限为红限为144 4、光电发射的瞬时性、光电发射的瞬时性

13、 光光电电发发射射的的瞬瞬时时性性是是光光电电发发射射的的一一个个重重要要特特性性。实实验验证证明明，光光电电发发射射的的延延迟迟时时间间不不超超过过3 31010-13-13 s s 的的数数量量级级。因因此此，实实际际上上可可以以认认为为光光电电发发射射是是无无惯惯性性的的，这这就就决决定定了了外光电效应器件具有很高的外光电效应器件具有很高的频率响应频率响应。光光电电发发射射瞬瞬时时性性的的原原因因是是由由于于它它不不牵牵涉涉到到电电子子在在原原子子内迁移到亚稳态能级的物理过程。内迁移到亚稳态能级的物理过程。光光电电发发射射不不仅仅发发生生在在物物体体的的表表面面层层，而而且且还还深深入入

14、到到阴阴极极材材料料的的深深层层，通通常常称称为为光光电电发发射射的的体体积积效效应应。而而前前者者则则称为称为光电发射光电发射的的表面表面效应。效应。15光电导效应：是指固体受到光照而改变电导率的现象。光电导效应：是指固体受到光照而改变电导率的现象。电电导导率率正正比比于于载载流流子子浓浓度度及及其其迁迁移移率率的的乘乘积积。入入射射光光的的光光子子能能量量等等于于或或大大于于与与该该激激发发过过程程相相应应的的能能隙隙 E E(禁禁带带宽宽度度或或杂杂质质能能级级到到某某一一能能带带限限的的距距离离)。即即光光电电导导有有一一个个最最大大的的响响应应波波长长，称称为为光光电电导导的的长长波波限限C C，若若C C以以mm计，计，EE以以eVeV计，则计，则C C与与EE的关系为的关系为：C C=1.24/E=1.24/E二、二、光电导效应光电导效应16热释热释电效应：是指电效应：是指某些晶体的电化强度随温度变某些晶体的电化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷化而释放表面吸附的部分电荷。三、三、热释电效应热释电效应17