物理效应及其应用—光电效应ppt课件.ppt

课程名称 物理效应及其应用 1 物理效应及其应用 课程简介 物理学家们发现了许许多多物理效应 这些效应在科学技术中发挥出极大效益 派生出各种高新技术 利用同学们已学习过的许多物理学基础知识 结合力 热 电 光 磁 低温 辐射 核物理等物理效应 以及相互之间物理特性的转变 理解各种经典和现代物理效应的机理 根据原子结构特点 载流子特性 原子能带理论 特别是量子理论分析 解释各种物理效应 尽可能了解现代物理效应的应用背景 后续传感器技术课程的基础 参考书 物理效应及其应用 陈宜生 周佩瑶 冯艳全 天津大学出版社 2 第一章光电效应 光电效应 光照射到某些物质上 引起物质的电性质发生变化的现象 光具有波粒二相性 在与物质相互作用时 会更明显地表露出它的粒子 即光子特性 特征 光电效应的本质是光子与电子相互作用的结果 光子 具有一定光谱频率并以普朗克常数为能量单元 对外作用时表现为或被吸收 或改变频率和方向 电子 带电粒子的最小单元 在与外界作用时 能量和状态发生变化 从束缚于局域状态转变到比较自由的状态 导致物质电特性的变化 光电效应分为 外光电效应 内光电效应 3 第一节外光电效应 年德国物理学家赫兹在实验中发现了一个奇妙的现象 当用紫外光照射它的装置时 电极之间发生火花要容易一些 一年后 霍耳瓦克斯 H Hallwachs 证明 上述现象是由于出现了带电粒子的缘故 后来人们证实了这种粒子就是电子 外光电效应 由于光照射固体材料从表面激发出电子的现象 或光电发射效应 光电子 由光的作用激发出的电子 4 第一节外光电效应 将两个金属电极安装在抽成真空的玻璃罩中 两个电极之间串联上直流电源和灵敏电流计 当无光照射时 玻璃罩内阴极 和阳极 之间的空间无载流子 即自由正负电荷 如果不考虑暗电流 电阻为无穷大 没有电流流过 一 单电子光电效应 当有光照射阴极 时 就有光电子从阴极飞出 在电压作用下 飞向阳极 检流计 中便有稳定的电流通过 5 年 赫兹的助手勒纳德利用各种频率和强度的光 对光电效应进行了系统的实验研究 发现了三条实验规律 当一定频率的光照射金属阴极 在阴极与阳极之间有足够的加速电压 光电流正比于光强 每一种金属各自存在一个足以发生外光电效应的最低频率 红限频率 当照射光的频率 时 不会逸出光电子 当入射光的频率 不管光多么弱都会立刻发射光电子 不存在时间滞后 光电子从金属表面刚逸出时最大初动能1 2m 与光的频率有线性关系 与入射光的强度无关 6 爱恩斯坦提出的光量子 光子 假说 在我看来 如果假定光的能量不连续分布于空间的话 那么 我们就可以更好地理解黑体辐射 光致发光 紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发射与转换的现象的结果 根据这种假设 从一点发出的光线传播时 在不断扩大的空间范围内能量不是连续分布的 而是一个数目有限地局限于空间中的能量量子所组成 他们在运动中并不分解 并且只能整个地被吸收或发射 外光电效应方程 又称著名的爱恩斯坦方程 h 1 2m 02 其中 为金属逸出功函数 这个方程成功地解释了外光电效应的实验规律和形成机理 爱恩斯坦认为 一束频率为 的光可以视为一束单个粒子 能量为h 的光子流 h为普朗克常数 在光与物质相互作用时 就是这些光子与物质微粒之间的事情了 7 逸出功 自由电子逃逸出金属表面所需的最小能量 需要对电子所作的最小的功 飞来的光子是一个个能量为h 的小能量包 当它与电子碰撞并为电子所吸收时 电子获得光子的能量 一部分用于克服金属的束缚 开销于逸出功 余下的能量便转成了外逸光电子的初动能 m 02 既然光子与电子之间的相互作用是一一对应的 光电子瞬息即发也就顺理成章 这也是外光电效应存在红限频率 0的道理所作 不同的金属逸出功不同 红限频率也就不同 图 b 直观地表示光电子的初动能与光的频率成直线关系 直线与频率轴的交点对应红限频率 直线的斜率是普朗克常数 密立根花了 年的时间 验证了爱恩斯坦方程 并准确地测出了普朗克常数 宣告光子的存在是无可置疑的 8 应用实例 光电倍增管 当光照射在光电阴极上时 发射的光电子在电场作用下 经加速后轰击第一阳极 一个入射电子将从次阴极轰击出多个次极电子 这称为二次电子发射效应 次极电子又经过电场加速 轰击下一个阴极 产生更多的次极电子 如此继续下去 最终可使电流放大 倍以上到达阳极 9 二 多电子光电效应 年 等人用激光作光电发射实验时 发现了与爱恩斯坦方程偏离的奇异光发射 年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的 1 48eV的光子照射逸出功 的钠时 发现光电流与光强的平方成正比 于是 人们设想光子之间进行了 合作 两个光子同时被电子吸收 得以越过表面势垒 该种现象称为双光子光电发射 后来 进一步的实验表明 可以三个 多个 甚至 个光子同时被电子吸收而发射光电子 称为多电子光电发射 人们推断 n个光电子发射过程的光电流似乎应与光强的 次方成正比 10 第二节光电导效应 物质被光照射时无电子发射 但电导率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效应 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应在光电子技术课程中细述 11 第三节光生伏特效应 光生伏特效应 半导体受光照射产生电动势的现象 光电导效应是以光作为动力 使束缚电子成为自由电子 形成电子 空穴对 从而改变了材料的载流子浓度 导致电导率发生变化 要在光的照射下产生电动势 还需要一种将正 负载流子在空间上分离开来的机制 根据产生电位差时载流子分离机理的不同 光生伏特效应又分为丹倍 Dember 效应 光磁电效应和PN结光生伏特效应等情形 12 一 丹倍效应 一束频率足够高的光照射在一块均匀半导体样品的表面 会产生大量电子 空穴对 表面层内就有了非平衡的载流子 n p这样 就造成了由表面指向体内的浓度梯度 按扩散定律 电子和空穴形成的扩散电流密度分别为 总扩散电流密度为 扩 13 事实上电子和空穴的扩散系数不同 一般 电子扩散的比空穴快 总扩散电流将沿 负方向 引起电荷局部积累而打破电中性状态 使光照一面带正电 形成了沿 方向的电场 这电场又引起载流子沿 方向的漂移运动 形成漂移电流 J漂 p 这电流和总扩散电流方向相反 于是总的电流密度 扩 漂 p p p 达到稳定后 电流密度 从而半导体中的电场 p p p 在半导体中 载流子的扩散系数与迁移率的比满足爱恩斯坦关系 kT e p e p dx p p 由于光生非平衡载流子扩散速度的差异 直接引起了光照方向的电场和电位差 被称为丹倍效应 14 二 光磁电效应 如果在垂直光照方向施加一磁场 则在半导体的两侧端面间产生电位差 这效应称为光磁电效应 光磁电效应的机理 光在样品表面产生了非平衡载流子浓度 如图 所示 浓度梯度使载流子出现了定向扩散速度 方向 磁场作用在载流子上的洛仑兹力 使正负载流子分离 图 在两个端面的电荷积累形成电位差 图 和横向电场 当作用在载流子上的洛仑兹力与 作用的电场力平衡时 电位差 维持一个稳定值 光磁电效应与霍尔效应类似 但它与具有两种载流子的半导体中的霍尔效应有所不同 在霍尔效应中 载流子的定向运动是外加电场引起的 两种载流子的运动方向相反 二者形成的电流方向相同 而在光磁电效应中 定向运动是扩散引起的 两种载流子扩散方向相同 二者形成的电流方向相反 在垂直磁场作用下 如图 所示 向相反方向偏转 效果是相互加强的 15 对于厚度为 的 型半导体 光磁电效应在端面间的开路电压为 L 式中 是表面处的非平衡空穴浓度 如果横向两端短路连接形成的短路电流为 光磁电效应 表面处的非平衡载流子浓度 0与载流子寿命 有关 光磁电效应有时被用来测量半导体中载流子寿命 特别是短寿命的测量 在光磁电效应中 如果外加磁场不垂直于 轴 而是斜置于 平面 则磁场的 分量 将与样品内流动的开路电流相互作用 从而引起转矩 这现象称为光学机械效应 等许多半导体材料都可呈现较明显的光磁电效应 利用具有这种效应的材料 可以制造半导体红外探测器 16 当光照射在距表面很近的 结时 便会在 结上产生电动势 这被称为 结光生伏特效应 1839年法国人贝克勒 EdmondBecqural 在研究电解质电池时 观察到光照射到电池的一个电极时 电池的电动势有所提高 这就是最早发现的光生伏特效应 直到1876年Adams和Day利用光生伏特效应制造出了硒光电池 三 结光生伏特效应 17 在光未照射时 由于 型 型材料内部存在空穴 电子浓度差 导致相互扩散 在两区接界处形成了空间电荷层及相应存在的由 区指向 区的内建电场 阻止两边不同的载流子的扩散 从能量角度看 结处形成了一个势垒 图1 8 b 因此 区内的电子和 区内的空穴要想从一个区域进入极性相反的另一个区域都需要提供能量 光照射时 光子可进入 区 结区和 区 在这三个区域光子被吸收产生电子 空穴对 图1 8 c d 同时也存在电子与空穴的复合过程 在每个区域 非平衡的光生少数载流子起主要作用 18 区 少数载流子是电子 只要在此区域所产生的光生电子离结区的距离 小于电子的扩散长度 指光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离 便可靠扩散从 区进入到结区而被内建电场 内加速趋向 区 区 空穴是少数载流子 只要光生空穴离结区距离 小于空穴的扩散长度 便可靠扩散进入结区 被内建电场加速趋向 区 结区 产生的光生电子 空穴对 被内建电场加速并分离到 结的两边 在三个区域都是光子产生电子 空穴对 靠扩散和内建电场实现正负电荷的分离 使电荷积累到 结的两边 型侧带正电 型侧带负电 从而建立一个与原内建电位差相反的电位差 L 称为光生电位差 在建立光生电位差的过程中 载流子移动形成的电流称为光生电流 L 19 光生电位差对 结来说 相当于加上了一个正向电压 会产生一个正向电流 方向与光生电流 方向相反 当这两个相反电流互相抵消时 在 结上建立起稳定的光生电位差 oc在光的照射下 结形成了一个能产生电动势的电源 构成一个电池 即光电池 利用 结的光敏特性 除了制作光电池外 还可以制成各种光敏二极管 光敏三极管等元器件 广泛用于自动控制和传感技术中 20 光敏二极管 硅光敏二极管 为光生电流 为 结动态电阻 为结电容 为串联电阻 光敏二极管的动态电阻随结电压变化很大 结电容 与负载电阻 构成时间常数 限制光敏二极管的响应速度 光敏二极管有三种工作方式 光电导方式 工作方式是在 结外加反向偏置电压 动态电阻 大 负载电阻可根据需求选择 光伏短路方式 光敏二极管无需偏置电压 输出不含暗电流 线性范围宽 适于弱光检测 光伏开路方式 如图 所示 光敏二极管工作时 要求负载电阻 其输出电压为图示的断路电压 对数关系 响应慢 21 光敏三极管 光敏三级管具有放大功能 可以获得比光敏二极管大的多的光电流 它有无基极引线和有基极引线两种类型 有基极引线的光敏三级管可通过改变基极偏置电压来调制工作点进入线性区 并能减少发射极电阻 以改善弱光条件下的频率特性 光敏三级管 以集电结为光敏二极管 靠光注入载流子在其上产生的光电流加以放大 于集电极回路输出 光敏三级管的光电流 集电极电流 与集电极电压的曲线类似于半导体三极管 只需将半导体三极管的基极电流参数换成光强参数即可 22 光敏三极管的应用 光敏三级管输出信号大 在自动控制和测量中有许多应用 而且还能与发光二极管 一起构成复合型光电器件 如光敏物位传感器 光电耦合器等 图 表示了遮光式 图 和反光式 图 物位传感器的示意结构和电路符号 物位传感器在工业生产和电气控制方面有广泛应用 如在计算机磁盘驱动器中的写保护 磁道检测 对软盘索引的检测都用到光电物位传感器 产品自动计数 包裹自动分理 信件邮编自动识别 自动生产线物位测量与控制 光电编码器 光电测速传感器 光电隔离器 家用电器等方面 都可见到光敏物位传感器的应用 23 光敏二极管 为了提高光敏二极管的响应速度 应减少 结的结电容 在 结之间设置一个高电阻率的 层能达到这一目的 如图1 12所示 在 型硅片上制作一层含杂质少的高组层 而在该层上形成薄的 层 入射的光由很薄的 层照射到较厚的 层 大部分光被 层吸收 激起光生载流子形成光电流 这使 光敏二极管能有高的转换效率 另外 工作时 光敏管加有较高的反向偏置电压 使 结的阻挡层加宽 也大大加强了阻挡层中光生载流子的加速电场 约 大幅度减少了载流子在结内的漂移时间 从而响应速度大为提高 光敏二极管具有响应速度快 s以下 灵敏度高 线性较好三大优点 可用于光存储器读出装置 遥控装置 伺服跟踪信号检测器 光通信等方面 24 雪崩光敏二极管 雪崩光敏二极管是为提高光探测器灵敏度所作的努力 如果把一般光敏二极管比作真空管 那么雪崩光敏二极管就好似真空光电倍增管 雪崩光敏二极管的基片材料目前多采用硅和锗 其结构是在 型基片上制作 层 再在上面配置高掺杂浓度的薄 层 光线通过 层 进入 层 产生光生载流子 由于 结上加有近于击穿电压的反向偏置电压 致使 区存在很强的电场 约 区的光生载流子被急剧加速 能量远远超过材料禁带宽度 从而引起碰撞电离 产生新的载流子 这些新生载流子又被加速 又产生更多新的载流子 这一链式过程使载流子数目雪崩式地急剧增长 这种光电流的内部放大机制使雪崩光敏二极管具有很高的灵敏度 由于这种光敏元件灵敏度高 响应快 被用于光纤通讯的受光装置和光磁盘的受光装置来处理弱光信号 用反向偏置的 结除了形成上面一些光敏器件外 还可以作成光控闸流管 色敏器件等 25 四 贝克勒 效应 将两个同样的电极浸在电解液中 让其中的一个被光照射 那么 在两个电极间将产生电位差 这称为贝克勒效应 如图 所示 最近 为了制造出廉价的太阳能电池 科学家想模仿叶绿素的光合作用 如图 所示 两个电极与电解质溶液接触 其中的一个透明电极上覆盖着一层二氧化钛粒子 再在其上覆盖一层特制的钌基燃料 这种染料有类似叶绿素的性质 光敏染料分子象小型天线那样吸收入射光子 将电释放给下面的二氧化钛 这些电子经过透明电极 外电路 电解质再返回染料 将化学电池 光伏特效应结合起来可能会有光明的前途 制造出廉价高效的太阳能电池是解决地球上能源问题的途径之一 该效应是发现最早的光伏特效应 前面提及的几个光生伏特效应是在固体中发生的 贝克勒效应是在液体中的光生伏特效应 这种效应已 被用来制成实用化的感光电池 26 五 光子牵引效应 如图 所示 当一束光子能量还不足以引起电子 空穴产生的激光照射在一块样品上时 可以沿光束传播的方向 在样品的两个侧端面上 建立起电位差 其大小与光功率成正比 这种现象称为光子牵引效应 光子具有动量 当光子与材料中的载流子相互碰撞时 可以将动量传递给载流子 因而在光束方向引起载流于的定向运动 在端面形成电荷累积 产生附加电场 当附加电场对载流子的电场力与光子产生的冲力平衡时 便建立起稳定的电位差VL 与前面提到的光电效应不同 那些效应都涉及到载流子的产生 都是光子能量转移给电子 而这里不顾及载流于的产生 将光子的动量转移给电子 这种转移发生很快 此类光探测器具有快速的响应 响应时间约 27 第四节俄歇效应 1925年法国人俄歇 M P Auger 在威尔逊云雾室中 用X射线研究电离惰性气体的光电效应 预想是X射线光子能量越高 逸出光电子的初动能越大 在云雾室中形成的轨迹应该越长 可他却沿着X射线方向观察到了双电子径迹现象 这两条径迹从同一点发出 其中一条径迹的长度随X射线光子能量的增加而增加 可以用原子内壳层光电子发射来解释 而另一条电子径迹的长度 不随X射线光子能量变化 却同被照射原子类型有关 不能用光电效应来解释 后来称造成这种径迹的电子为俄歇电子 在发射光电子后 发射俄歇电子 使原子 分子成为高阶离子的现象称为俄歇效应 28 俄歇电子的产生过程 以氩原子为例 能量大于K壳层电子结合能的光子或电子与氩原子碰撞 轰击出K壳层的束缚电子 留下一个空穴 如图1 b 所示 K壳层被电离 这时 原子内电子分布失去平衡 纵使静电力也会促使较外层的电子来填补这个空穴 较外层电子能量比内层高 当它为填补空穴跃迁到内层时 应将多余的能量释放出去 解释的方法有两种 一种是以光子形式辐射 如发射软X射线 另一种是非辐射能量转移 将能量转移给另一个电子 得到能量的这个电子从原子中发射出来 这就是我们所说的俄歇电子 29 多重能级之间电子跃迁产生多俄歇电子发射 俄歇电子的发射 可以理解成在电子填充空穴的过程中 电子之间存在库仑力 使它们在能级之间跃迁 并彼此交换能量 一个电子能量的降低 伴随着另一电子能量的增高 这跃迁过程就是所谓的俄歇效应 固体能带中俄歇电子的发射 30 俄歇电子能谱的应用 用俄歇电子谱仪能对气体进行元素分析和分子类型分析 也可进行电离过程研究 俄歇电子谱仪能成功地进行固体表面的成分分析 还可以分析表面发生的吸附 脱附 扩散 催化反应 薄膜生长 表面污染等 俄歇电子谱仪有灵敏度高 分析速度快等优点 在表面物理 化学反应动力学 催化剂 冶金 电子等诸多领域有很多重要应用 31 第五节康普顿效应与逆康普顿效应 康普顿 A H Compton 在1922一1923年间研究物质对X射线的散射 如图1 17所示 实验发现 如果将X射线视为电磁波 X光的散射归因于物质中电子的受迫振动 散射光波长应当等于入射光波长 因此 光的波动理论不能解释康普顿效应 但将光视为光子流的光量子论可以圆满地解释这个效应 将一束X射线投射在石墨上 从不同方位用X射线谱仪来测量散射的X射线 在散射的X射线中 除有原波长 的射线外 还有波长 的射线 这种波长改变的散射 称为康普顿效应 由康普顿观察并提出了理论解释 我国物理学家吴有训 从1924一1926年间 当时他是康普顿的研究生 进一步观察X射线对各种物质的散射实验 确认散射X射线波长的改变 与入射X射线的波长和散射物质无关 只与散射方位有关 与散射角 之间有下列简单关系 2 sin2 2式中 0 00241nm 是实验得出的常数 相当散射角 2时的波长改变 32 光束视为光子束 X射线与物质的相互作用就可看作光子与实物微粒的碰撞过程 X射线光子与原子外层电子碰撞 因外层电子与原子核联系较弱 很易在X射线作用下离开原子 X射线散射就可近似看作光子与自由电子完全弹性碰撞的过程 碰撞前后光子和电子的总动量守恒 总能量也守恒 要注意的是光子是以光速运动 应按相对论来考虑问题 光子的能量为 由质能关系E m C2 得光子质量m C2 光子动量 p m C C 碰撞前 碰撞后总能量守恒 总动量守恒分别可写为 m0C2 mC2 a p p m b 利用 a 6 二式可得 散射X射线的波长改变 2 m0C sin2 2 c 式中 m m0 1 c 1 2 m0为电子静止质量 m0C2电子静止能 mC2是电子速度为V时的能量 p p 分别表示碰撞前 碰撞后光子的动量 33 如果光子与被原子核紧紧束缚的电子碰撞 这就相当于与整个原子碰撞 上式中电子的静止质量m0就要用原子的质量取代 这样 将变得很小 光子不会明显的改变能量或波长 所以在散射中仍可观察到与入射光波长相同的成份 如图1 18所示 这入射波长 的位置正好可用来作为度量 的参考 由于电子既不是完全自由的 也不是静止的 所以散射光不仅仅出现正好两个波长 或两条强度线 而是有如图1 18那样按波长分布的轮廓线 实验还表明 轮廓线峰的高低 宽窄 形状与元素的原子序数之有关 直接反映了物质内部电子动量的分布 34 康普顿效应涉及高能光子与低能电子的碰撞 碰撞的结果是使光子部分能量转移给