第1章_光电信息技术物理基础(1).pdf

第一章第一章 光电信息技术物理基础光电信息技术物理基础 2013 9 6 2 目录目录 1 1 理论基础 1 1 1 能带理论 1 1 2 光电发射效应 1 1 3 光电导效应 1 1 4 光生伏特效应 1 1 5 热释电效应 1 2 光学基础 1 2 1 光的概念与度量 1 2 2 光学元器件 1 2 3 光调制 1 3 电路基础 1 3 1 放大 1 3 2 滤波 1 3 3 比较 1 3 4 采样保持 1 3 5 模拟开关 2013 9 6 3 1 1 理论基础理论基础 1 1 1 能带理论 1 1 2 光电发射效应 1 1 3 光电导效应 1 1 4 光生伏特效应 1 1 5 热释电效应 2013 9 6 4 1 1 理论基础理论基础 1 1 1 能带理论 1 1 2 光电发射效应 1 1 3 光电导效应 1 1 4 光生伏特效应 1 1 5 热释电效应 2013 9 6 5 1 1 1能带理论能带理论 能带 价带 导带 禁带 良导体 半金属 绝缘体 半导体 本征半导体 掺杂半导体 N型半导体 P型半导体 2013 9 6 6 能带能带 能带 现代物理学描写固体中原子外层原子外层 电子运动电子运动的一种图象 当许多原子互相靠近结成固体时 它们的内内 层电子层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层 和孤立原子一样 外层价电子外层价电子的运动就深受干扰 这是由于在 固体中的邻近原子所产生的电场而引起的 2013 9 6 7 元素周期表元素周期表 2013 9 6 8 以钠原子以钠原子 Z 11 为例为例 考虑有一个价电子的各原子有一个价电子的各原子 我们可以将这种原子看成是 由一个电子和一个正离子所构成的 一个电子 价电子 在 Na 离子的电场中运行 该价电子所 感受到的势能见下图 该价电子的能量是如水平线所示 依照经典的说法该电子 就可以在 a 和 b 之间运动 ab 单个离子 2013 9 6 9 以钠原子以钠原子 Z 11 为例为例 将二个二个 Na 原子原子放得很近的话 每一个价电子就会受到二 个 Na 离子的电场影响 它们会在如图所示的势能下运动 对于相等的能量而言 价电子可以在 c 和 d 之间运动 所 以并不是限于某一个钠离子的 cd b 二个离子 2013 9 6 10 以钠原子以钠原子 Z 11 为例为例 如果有一块固体的钠 它是由许许多多钠原子规则地排列 在晶体格晶体格中而构成 价电子所受到的合成势能合成势能如图所示 价电子可以自由地在整个钠原子的晶体格内运动 所以并 非局部地限在 某一原子处 当一个电子在钠离子的晶体格 中运动时 势能随晶体格的周期而作周期性的变化势能随晶体格的周期而作周期性的变化 同时 束缚能高得多的内部电子在原则上保持不受干扰而 且局限于它们各自的原子附近 c 一排数个离子所引起的库仑位能 2013 9 6 11 能带能带 按照原子理论 原子中的电子只有占据某些 能级 然而在结晶格中能级改变能级改变了 电子能 在某些整个能带 见图1 1 1 2 内运动 每一能 带是与一个原子的能级相关联的 泡利不相容原理泡利不相容原理限制能占有某个 nl 原子能级 的电子数 同样这原理也限制一个结晶格的 能带内所能容纳的电子数 1s 2s 2p 3p 3s 原子原子能级能级 1s 2s 2p 3s 结晶格能带结晶格能带 填填 满满 未填满未填满 图1 1 1 2 原子的能限和结晶格中的能带之比较 2013 9 6 12 能带能带 考虑相当于钠中的 3s 原子能级的能带 每个 s 原子能级至多可以容纳二个电子 所以 n个钠原子 的结晶格中该 3s 能带可以容纳 2n个电子 然而每个钠原子只有一个 3s 电子 所以在 n个钠原子的结 晶格中只会有n个电子在 3s 能带内 也就是说该能带只填 满了一半 1s 2s 2p 3p 3s 原子原子能级能级 1s 2s 2p 3s 结晶格能带结晶格能带 填填 满满 未填满未填满 图1 1 1 2 原子的能限和结晶格中的能带之比较 2013 9 6 13 价带 导带 禁带价带 导带 禁带 在一般的原子中 内层电子的能级都是被电子填 满的 当原子组成晶体后 与这些内层的能级相 对应的能带也是被电子所填满的 在理想的绝对零度下 硅 锗 金刚石硅 锗 金刚石等共价键 结合的晶体中 从其最内层的电子直到最外边的 价电子都正好填满相应的能带 能量最高的是价电子填满的能带称为价带价带 价带 以上的能带基本上是空的 其中最低的能带称为 导带导带 价带与导带之间的区域称为禁带禁带 2013 9 6 14 良导体 钠 Z 11 与1s 2s 和 2p 原子能级对应 的能带是完全填满了 但 3s 能 带 每个原子能容纳最多两个电 子 仅有一半被填充 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 容原理的情况下获得一些额外 的少许能量而到能带内附近许 多空的状态去 和无序的热激 发明显不同的是受电场激发的 电子在与场相反的方向上获得 动量 结果在晶体内产生一种 集体运动 从而构成电流电流 1s 2s 2p 3s 钠钠 1s2 2s2 2p6 3s1 晶体能带晶体能带 满满 带带 半满带半满带 空空 带带3p 图1 1 1 3导体内的能带 考虑一种具有图1 1 1 3所示能带 结构的金属 这种能带结构可能 相当于钠 Z 11 的能级 具有如图1 1 1 3 所示那样能带结构 的物质应为良导体 良导体 也称金属 是那些最高能带未被完全填满的固体 2013 9 6 15 半金属 镁镁 Z 12 举例而言 考虑镁 Z 12 的情况 镁原子镁原子具有组态 1s2 2s2 2p6 3s2 因此所 有的原子壳层都是填满的 但是第一激发能级 3p 很接 近 3s 在固态情况下 镁 的 3s 和 3p 能带如图1 1 1 4 所示 在正常没有重叠情况时 3s 能带应该是填满的 而 3p 能带则是空的 因而镁 应为绝缘体 实际上由于最高能带可能发生重叠 所 以情况稍复杂一些 事实上对大多数金 属或导体而言 最上层的能带相重叠是很 普通的情形 1s 2s 2p 3s 镁镁 1s2 2s2 2p6 3s2 晶体能带晶体能带 3s 电子可分布在电子可分布在 3s 和和 3p 能带中能带中 满满 带带 未满带未满带 未满带未满带3p 能带能带 重叠重叠 图1 1 1 4 导体中能带的重叠 2013 9 6 16 半金属 镁镁 Z 12 但是由于重叠 3s 能带中 最上面的电子具有了3p 能 带中所有的最下面的能量 状态 因此有些 3s 电子就 移动而占有一些低的3p 能 级 直至二个能带的平衡 能级建立起来为止 因为由 3s 和 3p 二能带所 可能有的总能级数是 2N 6N 8N 而我们只有 2N 个电子 所以就有 6N 个 可进入空态 因此镁应为 良导体 这与实验事实相 符 1s 2s 2p 3s 镁镁 1s2 2s2 2p6 3s2 晶体能带晶体能带 3s 电子可分布在电子可分布在 3s 和和 3p 能带中能带中 满满 带带 未满带未满带 未满带未满带3p 能带能带 重叠重叠 图1 1 1 4 导体中能带的重叠 实际上由于最高能带可能发生重叠 所 以情况稍复杂一些 事实上对大多数金 属或导体而言 最上层的能带相重叠是很 普通的情形 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 它们成为导导 体体 人们常称这些物质为半金属半金属 2013 9 6 17 绝缘体绝缘体 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 见图1 1 1 5 由于价带的所有状态都被占 有 电子的能量被 冻结 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 因而不能产生净电流 所以这种物质称为绝缘体绝缘体 1s 2s 2p 3s 价价 带带 满满 导导 带带 空空 3p 绝缘体能带绝缘体能带 能能 隙隙 较较 大大 图1 1 1 5 绝缘体中的能带 钻石钻石 又称金钢石 C 在 平衡距离下 最低的 能带即价带与上面的 空带之间的能隙约为 6eV 这可以看作是一 相当大的能隙 2013 9 6 18 半导体半导体 硅和锗硅和锗 在原子的平衡间距下价带与导带之间的能隙要小 得多 在硅中为 1 1 eV 在锗中为 0 7 eV 于是要将价带 中最上面的电子激发到导带内时就容易得多了 图1 1 1 6 中示出这种情况 当温度升高时 有更多的电子 能够跳到下一个能带去 图1 1 1 6 半导体内的能带 价价 带带 满满 导导 带带 空空 半导体能带半导体能带 能隙较小能隙较小 2013 9 6 19 半导体半导体 这有两个结果 在上面的导带中少数电子所起的作用和它 们在金属中所起的作用相同 而价带中留下的空态即空穴起着类似的作用 不过它们好 象是正的电子 因此 它们有来自导带中的激发电子导带中的激发电子和来 自价带中的空穴的导电性价带中的空穴的导电性 温度升高时 由于有更多的电子被激发到导带 所以电导 率随温度而迅速增加 价价 带带 满满 导导 带带 空空 半导体能带半导体能带 能隙较小能隙较小 图1 1 1 6 半导体内的能带 2013 9 6 20 本征半导体本征半导体 在硅中 当温度从250 K 增加到450 K 时 激发电子的数 目增加106 倍 因此 半导体是这样一些绝缘体 它们的价带和导带之间 的能隙约为 1 eV 或更小 因而比较容易用加热方法加热方法把电 子从价带中激发到导带中 完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体本征半导体 价价 带带 满满 导导 带带 空空 半导体能带半导体能带 能隙较小能隙较小 图1 1 1 6 半导体内的能带 2013 9 6 21 掺杂半导体掺杂半导体 实际上 晶体总是含有缺陷和杂质缺陷和杂质的 半导体的许多特 性是由所含的杂质和缺陷决定的 假定我们用另一种物质的原子 在此情况下 这些原子构 成杂质 取代半导体的一些原子取代半导体的一些原子 并假定这些杂质原子 比半导体的原子具有较多的电子 例如 每个硅或锗硅或锗原子贡献4个电子给价带 而每个磷或磷或 砷砷原子贡献5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 则每有一个杂质原子 就有一个额每有一个杂质原子 就有一个额 外电子外电子 2013 9 6 22 掺杂半导体 掺杂半导体 N型半导体型半导体 这些额外的电子 它们不能被容纳在原来结晶体的价带中 占有恰在导带下方的某些分立的能级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 图1 1 1 7 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 于是 激发电子对半导体的电导率有贡献 这种杂质原子 叫做施主施主 这种半导体叫做 N型半导体型半导体 价价 带带 满满 导导 带带 空空 能能 隙隙 较小较小 杂质能级杂质能级 图1 1 1 7 半导体中的杂质 a 施主 或 n 型 2013 9 6 23 掺杂半导体 掺杂半导体 P型半导体型半导体 相反地 杂质原子可以比半导体原子具有较少的电子 在 基质物质为硅和锗的情况下 杂质原子可以是硼或铝硼或铝 这 两种原子都只贡献3 个电子 杂质引进空的分立能级 这些能级的位置很靠近价带顶 图1 1 1 7 b 因此 容易把价带中一些具有较高能量的 电子激发到杂质能级上 这个过程在价带中产生空态即空穴空穴 如前面所述 这些电 子起着正电子的作用 这种杂质原子叫做受主受主 这种半导 体叫做 P型半导体型半导体 价价 带带 满满 导导 带带 空空 能能 隙隙 较小较小 杂质能级杂质能级 图1 1 1 7 半导体中的杂质 b 受主 或 p 型 2013 9 6 24 掺杂半导体掺杂半导体 为使半导体的电导率产生大的变化 对于每100 万个半导体原子 大约有1个杂质原子就足够了 半导体在工业上广泛地用于制作 整流器 调制器 探测器 光电管 晶体管 大规模集成电路 等等 2013 9 6 25 1 1 理论基础理论基础 1 1 1 能带理论 1 1 2 光电发射效应 1 1 3 光电导效应 1 1 4 光生伏特效应 1 1 5 热释电效应 2013 9 6 26 1 1 2 光电发射效应光电发射效应 光电发射效应 光电发射第一定律 光电发射第二定律 光电发射第三定律 光电发射的瞬时性 2013 9 6 27 光电发射效应光电发射效应 物体受到光照后向外发射电子的现象称为 外光电效应外光电效应或称光电发射效应光电发射效应 多发生于金属金属和金属氧化物金属氧化物 在光电器件中 基于光电发射效应基础上 光电管 光电倍增管 某些光电器件 2013 9 6 28 光电发射效应光电发射效应 1887 年赫兹在证明麦克斯韦的 电磁波预言实验时偶然发现偶然发现外光 电效应现象 他发现当用紫外光 照射放电电极时 放电强度增加 这种效应表示有电子从被照射表 面上发射出来 以后 斯托列托夫等人对金属的 光电发射进行了大量的研究工作 并归纳出光电发射效应的几个规 律 2013 9 6 29 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 的饱和光电发射电流饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光光 通量通量 K 成正比 IK SK K 1 1 1 SK 表征光电发射灵敏度的系数 以上关系式是用光电探测器进行光度测量 光度测量 光电转换光电转换的一个最重要的依据 2013 9 6 30 光电发射第二定律光电发射第二定律 发射出光电子的最大动能最大动能随入射光频率的增高而 线性地增大 而与入射光的光强无关 即光电子 发射的能量关系符合爱因斯坦方程爱因斯坦方程 1 1 2 其中 h 普朗克恒量 6 626055 0 0000040 10 34 J s v 入射光频率 me 光电子的质量 vmax 出射光电子的最大速率 0 光电阴极的逸出功 2 max 1 2 eo hm v 2013 9 6 31 光电发射第三定律光电发射第三定律 当光照射某一给定金属或某种物质时 无 论光的强度如何 如果入射光的频率小于 这一金属的红限v o 就不会产生光电子发 射 在红限处光电子的初速应该为零 因此 金属的红限金属的红限为 v o o h 1 1 3 2013 9 6 32 光电发射的瞬时性光电发射的瞬时性 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很高 的频响的频响 2013 9 6 33 讨论讨论 实际上 物体在光线作用下 物体中的电子吸收了光子的 能量 就有足够的动能克服物体边界势垒的作用而逸出表 面 根据光量子理论 每个电子的逸出都是由于吸收了一 个光子能量的结果 而且一个光子的全部能量都由辐射转 变成光电子的能量 因此 光线愈强 也就是作用于阴极光线愈强 也就是作用于阴极 表面的量子数愈多 这样就会有较多的电子从阴极表面逸表面的量子数愈多 这样就会有较多的电子从阴极表面逸 出出 同时 入射光线的频率愈高 也就是说每个光子的能量愈 大 阴极材料中处于最高能量的电子在取得这个能量并克 服势垒作用逸出界面之后 其具有的动能也较大 而光电发射第三定律可看成是光电发射第二定律的推论 光电发射瞬时性的原因是由于它不牵涉到电子在原子内迁不牵涉到电子在原子内迁 移到亚稳态能级的物理过程移到亚稳态能级的物理过程 2013 9 6 34 讨论讨论 以上的结论严格说来是在绝对零度时才是正确的 随着温度的增加温度的增加 阴极材料内电子的能量亦将提高 而有 可能在原来的红限以下即已逸出表面 但是 实际上由于 温度提高时这种具有很大能量的电子数目为数很少 因此 爱因斯坦方程和红限的结论对大多数金属来说仍是正确的爱因斯坦方程和红限的结论对大多数金属来说仍是正确的 2013 9 6 35 讨论讨论 最早的时候 认为光电发射效应只发生在阴极材 料的表面 即阴极表面的单原子层或者离表面数 十纳米的距离内 称为光电发射的表面效应光电发射的表面效应 但在后来发现了灵敏度很高的阴极材料后 认为 光电发射不仅发生在物体的表面层 而且还深入 到阴极材料的深层 通常称为光电发射的体积效光电发射的体积效 应应 2013 9 6 36 1 1 理论基础理