第一章基础知识

2020 4 6 1 绪论之思考题 紫外线的能量大 却不能发生显著的热效应 而能量小的红外线却可以 为什么 2020 4 6 2 第一章光学基本知识 1 1辐射度学与光度学基本物理量 1 2物体热辐射 1 3气体放电光源 1 4激光器 1 5半导体基础知识和发光二极管 LED 2020 4 6 3 第一章光学基本知识 光的基本属性波动性和粒子性 波粒二象性 干涉 衍射 偏振等 光电效应 光的吸收与发射 2020 4 6 4 为了对光辐射进行定量描述 需要引入计量光辐射的物理量 而对于光辐射的探测和计量 存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系 在辐射度单位体系中 辐通量 又称为辐射功率 或者辐射能是基本量 是只与辐射客体有关的量 其基本单位是瓦特 W 或者焦耳 J 辐度学适用于整个电磁波段 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位 被选作基本量的不是光通量而是发光强度 其基本单位是坎德拉 光度学只适用于可见光波段 以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的 但所用的物理符号一一对应 下面分别介绍这两套单位体系中的物理量 1 1辐射度学与光度学基本物理量 2020 4 6 5 一 辐射度学基本物理量 1 辐射能辐射能是以辐射形式发射 传播或接收的电磁波 主要指紫外 可见光和红外辐射 能量 辐射能一般用符号Qe表示 其单位是焦耳 J 当辐射能被其它物质吸收时 可转变为其它形式的能量 如 热 电 2020 4 6 6 2 辐射通量辐射通量 e又称为辐射功率 定义为单位时间内向所有方向发射的能量 对于电磁波的传播 描述单位时间通过某考察面A的辐射能 即辐射通量的单位是瓦特 W 或焦耳 秒 J s 与A的大小 位置及t有关 2020 4 6 7 3 辐 射 出 射 度辐射出射度Me是用来反映物体 面光源表面 辐射能力的物理量 定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 即单位是W m2 2020 4 6 8 4 辐射照度在辐射接收面上的辐射照度Le定义为照射在面元上的辐射通量d e与该面元的面积dA之比 即单位是W m2 2020 4 6 9 5 辐射强度辐射强度Ie定义为 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 即 辐射强度的单位是瓦特 球面度 1 W sr 1 由辐射强度的定义可知 如果一个置于各向同性 均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是 e 则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量 有 一个辐射强度为1W sr 1的点光源 总辐射通量等于4 W 2020 4 6 10 假如有一个均匀辐射点源 辐射强度为Ie 假想一球面以这个点光源为球心 半径为R 则该球面上的辐射照度是多少 这一结果表明 一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比 与距离平方成反比 R 2020 4 6 11 6 辐射亮度辐射亮度Be定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量 如图所示 式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角 辐射亮度的单位是瓦特 球面度 米2 W sr m2 2020 4 6 12 显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关 但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 式中I0是面元dS沿其法线方向的辐射强度 符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体 余弦辐射体的辐射亮度为可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的 与方向角 无关 余弦辐射体的辐射出射度为 2020 4 6 13 7 单色辐射度量对于单色光辐射 同样可以采用上述物理量表示 只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量 其名称及单位见表1 并且对所有辐射量Xe来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足 2020 4 6 14 表1单色光辐射的名称 符号及单位 2020 4 6 15 二 光度学基本物理量 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应 故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉 为了定量地描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度 引入视见函数V 2020 4 6 16 视见函数描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量 光度量与辐射度量之间的关系可用视见函数表示 单位是流明 瓦特 lm W 通过对标准光度观察者的实验测定 日间视见函数 K MAX 683lm W夜间视见函数 K MAX 1725lm W 2020 4 6 17 V 是K 归一化的结果 其定义为 2020 4 6 18 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位 在光频区域光度学物理量Q I M B L相对应的Qv v Iv Mv Bv Lv来表示 其定义完全一一对应 其关系如表2所示 2020 4 6 19 表2常用辐度量和光度量之间的对应关系 2020 4 6 20 光度量的单位是国际计量委员会 CIPM 规定的 在光度单位体系中 被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度 其单位是坎德拉 坎德拉不仅是光度体系的基本单位 而且也是国际单位制 SI 的七个基本单位之一 它的定义是 一个光源发出频率为540 1012Hz 555nm 的单色辐射 若在一给定方向上的辐射强度为1 683 W sr 则该光源在该方向上的发光强度为1cd 2020 4 6 21 晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50 500lx阴天室内5 50lx月光 满月 2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50 60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0 2lx黑夜0 001lx 2020 4 6 22 例1 3已知某He Ne激光器的输出功率为3mW 试计算其发出的光通量为多少lm 解 v K e e KmV e Km 683lm W V 0 24 632 8nm v 683 0 24 3 10 3 0 492 lm 2020 4 6 23 1 2物体热辐射 通常物体以两种不同的形式辐射能量 热辐射 凡是高于0K的物体都具有辐射能力 物体靠加热保持一定温度使内能不变而持续辐射的辐射形式为物体热辐射 凡能发射连续光谱 且辐射是温度的函数的物体叫热辐射体 光源 如 动 植物 太阳 白炽灯 发光 物体不靠加热保持温度而持续辐射 而靠外能激发辐射 非连续光谱 且辐射不是温度的函数 2020 4 6 24 物体热辐射 黑体辐射定律 绝对黑体 在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1的物体 能完全吸收从任何方向入射的各种波长的辐射 且在某一温度下任一方向上所有波长下都有最大辐射功率的物体 黑体是余弦辐射体 灰体 对各种波长的吸收比虽然小于1 但近似为一常数 黑度 这种物体称为灰体 如 金属材料 2020 4 6 25 1 基尔霍夫定律 定律 任何物体的单色辐出度和单色吸收之比 等于同一温度时绝对黑体的单色辐出度 推论 物体的光谱发射率总等于其光谱吸收比 即 强吸收体必然是强发射体 2020 4 6 26 2 普朗克辐射公式 其中 表明 黑体光谱辐射出射度是波长 热力学温度的函数 2020 4 6 27 3 斯忒藩 玻耳兹曼定律 利用Plank公式对波长求积分 得到绝对黑体在一定温度下的总辐出度 其中 2020 4 6 28 4 维恩位移定律 利用Plank公式对波长求微商后令其等于零 得到绝对黑体的最大光谱辐出度所对应的波长与温度的关系 m 表明 当绝对黑体的温度升高时 向短波方向移动 2020 4 6 29 例1 1若可以将人体作为黑体 正常人体温的为36 5 1 试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W m2 2 正常人体的峰值辐射波长为多少 m 峰值光谱辐射出射度Me s m为多少 3 人体发烧到38 时峰值辐射波长为多少 发烧时的峰值光谱辐射出射度Me s m又为多少 解 1 人体正常体的绝对温度为T 36 5 273 309 5K 根据斯特藩 波尔兹曼辐射定律 正常人体所发出的辐射出射度为 2020 4 6 30 2 由维恩位移定律 正常人体的峰值辐射波长为 m 9 36 m 峰值光谱辐射出射度为 3 人体发烧到38 时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为 3 81Wcm 2 m 1 Wcm 2 m 1 3 72Wcm 2 m 1 2020 4 6 31 例1 2将标准钨丝灯为黑体时 试计算它的峰值辐射波长 峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度 解 标准钨丝灯的温度为TW 2856K 因此它的峰值辐射波长为 m 峰值光谱辐射出射度为 1 309 28565 10 15 248 7Wcm 2 m 1 总辐射出射度为 2020 4 6 32 一 太阳直径为1 392 109m的光球 它到地球的年平均距离是1 496 1011m 因此从地球上观看太阳时 太阳的张角只有0 533 大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射 其平均辐亮度为2 01 107Wm 2sr 1 平均亮度为1 95 109cdm 2 热辐射光源 2020 4 6 33 二 黑体模拟器在许多光电仪器或系统中 往往需要这样一种辐射源 它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性 这种辐射源常称为黑体模拟器 2020 4 6 34 三 白炽灯是光电测量中最常用的光源之一 发射的是连续光谱 在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0 5 而在整个光谱段內和黑体辐射曲线平均相差2 此外 其使用重现成功率高 发光特性稳定 广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源 白炽灯的光参数 光通量 光效 电参数 灯电压v 电流I 功率P 电阻R 和寿命之间有着密切的关系 对一定的灯 当灯的工作电压升高时 就会导致灯的工作电流I和功率P增大 灯丝工作温度升高 发光效率 和光通量 增加 而灯的寿命急剧下降 在实际使用中 可适当降低灯电压 从而有效地延長长灯的寿命 2020 4 6 35 三 白炽灯真空钨丝白炽灯 充气钨丝白炽灯 卤钨灯 光辐射由钨丝通电加热发出 真空钨丝白炽灯的工作温度为2300 2800K 发光效率约10lm W 钨的熔点约为3680K 进一步增加白炽灯的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升 从而使寿命骤减 2020 4 6 36 四 卤钨灯 灯泡內充入卤钨循环剂 如氯化碘 溴化硼等 在一定温度下可以形成卤钨循环 即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物 而该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时 又分解成卤素和钨 这样 钨就重新沉积在灯丝上 而卤素被扩散到温度较低的泡壁区域再继续与钨化合 这一过程黍为钨的再生循环 2020 4 6 37 下图是用于光计量的几种标准光源 为BDQ型发光强度标准灯 用来传递和复现发光强度单位 cd 的量值 是BDT型光通量标准灯 用用来传递和复现光通量值 为BW型温度标准灯 它的发光体是一条狭长的钨带 当通以电流时 钨带炽热发光 2020 4 6 38 1 3气体放电光源 图2 8是常用气体放电灯的外形图 表2 2列出了常用的气体放电灯的种类 性能以及它们的主要应用领域 气体放电灯的基本结构是相似的 原理 受激电子的自发辐射 2020 4 6 39 2020 4 6 40 2020 4 6 41 一 汞灯1 低压汞灯汞灯在低压放电时主要辐射二条共振辐射线 253 7nm和185 0nm 所谓共振辐射线是指从激发态跃迁到基态时发出的辐射 当汞蒸气压为0 8Pa 6 10 3mmHg 玻璃壳温度40 时 253 7nm的辐射效率最大 约占输入电功率的60 而可见光只占2 它的光谱分布如图2 9 所示 2020 4 6 42 2 高压汞灯当汞灯內的蒸气压达到1 5大气压时 汞灯电弧的辐射光谱就会产生明显变化 光谱线加宽 出现弱的连续光谱 紫外辐射明显减弱 而可见辐射增加 其光谱分布如图2 9 所示 2020 4 6 43 3 球形超高压汞灯点燃时 灯內汞蒸气压达到1 20MPa 约10 200个大气压 这样灯的辐射光谱与高压汞灯相比有明显的不同 紫外辐射减少 可见辐射光谱线较宽 连续部分增加 并且红外光谱辐射增强 如图2 9 所示 2020 4 6 44 二 钠灯 2020 4 6 45 三 金属卤化物灯 2020 4 6 46 四 氙灯氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳內两个钨电极之间的高温电弧放电 从而发出强光 高压氙灯的辐射光谱是连续的 与日光的光谱能量分布相接近 如图2 10 色温为6000K左右 显色指数90以上 因此有 小太阳 之称 辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同 则黑体的这一温度称为该辐射源有色温 某光源照射物体时 物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性 称为该光源的显色性 2020 4 6 47 五 空心阴极灯空心阴极灯属于冷阴极低气压正常辉光放电灯 该灯的阴极由金属元素或其它合金制成空心圆柱形 圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的 是原子吸收分光光度计必不可少的光源 用于对微量金属元素吸收光谱作分析 以及光谱仪器波长定标 2020 4 6 48 六 氘灯氘灯是一种热阴极弧光放电灯 泡壳內充有高纯度的氘气 氘是氢的同位素 又叫重氢 氘灯的阴极是直热式氧化物阴极 用0 5毫米厚的钽皮做成矩形 阴极矩形中心正对着灯的输出窗口 外壳由紫外透射比较好的石英玻璃制成 工作時先加热灯丝 产生电子发射 当阴极加高压后 氘原子在灯內受高速电子的碰撞而激发 从阴极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱 185 500nm 2020 4 6 49 氘灯的紫外线辐射强度高 稳定性好 寿命度 因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源 2020 4 6 50 1 光源的分类非相干光源 来源于原子或分子体系的自发辐射 其方向 频率及相位等都是很不确定的 分散的 各光源的强度简单相加 没有干涉现象 1 4激光器 相干光源 在时间 空间上相位同步的光波形成 incoherentspontaneousemission coherentstimulatedamplification Inputopticalsignal 2020 4 6 51 2 非相干光源包括 按用途分类 照明光源气体放电灯 荧光灯 白炽灯 本征场致发光灯 固体灯 显示光源着重显示图像的清晰度 对比度 色彩饱和度 如液晶显示器 阴极射线管 CRT 发光二极管 LED 等离子体管 信息处理光源着重光的单色性和高速脉冲性 如高速 高亮度的发光二极管 分光光度计光源 2020 4 6 52 非相干光源包括 按原理分类 热辐射源太阳 黑体 白炽灯 气体放电光源汞灯 氙灯 空心阴极灯 氘灯 固体发光光源场致发光光源 发光二极管 分光光度计光源 2020 4 6 53 相干光源包括 激光气体激光器 固体激光器 染料激光器 半导体激光器 等离子激光器 非线性光学器件主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源 如光参量振荡器 高次谐波激光器 和频与差频发生器 受激拉曼散射 2020 4 6 54 一 激光的特性一般通称为激光的四性 单色性 方向性 高强度和相干性 实际上 这四性质上可归结为一性 即激光具有很高的光子简并度 也就是说 激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强 光子简并度处于同一种量子状态的平均光子数目称为光源的光子简并度 光源的光子简并度高 表明它发出的光 单色亮度高 2020 4 6 55 He Ne激光 632 8nm 的谱线宽度 9 10 2HzHe Ne气体放电管的谱线宽度 1 52 109Hz同位素氪灯 单色性最好的普通光源 5 10 4nmHe Ne激光 632 8nm 的谱线宽度 10 8nm 2020 4 6 56 探照灯 D 1m 10km后为几十米氦氖激光器的发散角 3 10 4rad固体激光器的发散角 10 2rad半导体激光器发散角 0 0872 0 1742 2020 4 6 57 太阳的亮度 2 103W cm2 sr 气体激光器的亮度 104 108W cm2 sr 固体激光器的亮度 107 1011W cm2 sr 2020 4 6 58 incoherentspontaneousemission coherentstimulatedamplification Inputopticalsignal 相干性 2020 4 6 59 二 激光产生的原理 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation h h 1 普通光源的发光 受激吸收和自发辐射 受激吸收 自发辐射 2020 4 6 60 全同光子 2 受激辐射 亚稳态能级 当光与物质相互作用时 三种过程同时出现 当其它条件相同时 受激辐射与受激吸收具有相同的几率 自发辐射几率是受激辐射几率的 8 h 3 c3 倍 且波长越短 自发辐射几率越大 2020 4 6 61 粒子数反转热平衡条件下 N1 N2 所以 光的吸收过程总是远大于光的受激辐射过程 受激辐射几率 受激吸收几率 即 一个诱发光子不仅能引起受激辐射 也能引起受激吸收 因此 为使受激辐射跃迁超过受激吸收 要求 N1 N2 即 粒子数反转分布 3 光的放大 Amplifiedoutputlightbeam inputlightbeam invertedlasermedium 2020 4 6 62 实现粒子数反转分布的典型方法光泵 固体激光器气体放电 He Ne CO2等气体激光器注入电流 半导体激光器化学反应 化学激光器形成粒子数反转是产生激光的必要条件 2020 4 6 63 三 激光器的组成 组成 工作物质 泵浦源 谐振腔 2020 4 6 64 小结 产生激光的必要条件 1 激励能源 使原子激发 2 粒子数反转 有合适的亚稳态能级 3 光学谐振腔 方向性 光放大 单色性 2020 4 6 65 四 激光器的种类可按功率 输出激光连续性状况 泵浦 激光工作物质来分 1 气体激光器以气体为工作物质 大多数气体激光器能连续工作 其激励过程涉及的能级比较固定 利用气体放电中的电子碰撞来激发 按气体激光工作物质的能级跃迁类型 又可分为 1 原子气体激光器 He Ne激光器主要输出波长 632 8nm 1 15 m 3 39 m输出功率 1mW 100nW 2020 4 6 66 图He Ne激光器的结构示意图 a 内腔式 b 外腔式 c 半内腔式 d 旁轴式 e 单毛细管式 2020 4 6 67 2 离子气体激光器 Ar 激光器主要输出波长 488 0nm 514 5nm输出功率 500MW cm2 连续 1kW cm2 脉冲 3 分子气体激光器 CO2激光器主要输出波长 9 11 m 典型波长 10 6 m 输出功率 数十W至数千W 连续 kMW 脉冲 主要特点 是输出功率大 能量转换效率高 输出波长 10 6um 正好处于大气窗口 因此广泛用于激光加工 医疗 大气通信及其他军事应用 2020 4 6 68 4 准分子激光器 准分子 稀有气体被激发后 性质发生变化 易与其他原子结合形成分子 这样形成的分子称为准分子 准分子在激发态很稳定 而在基态不稳定 会立即被分解 工作物质 稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体输出波段 紫外波段 2020 4 6 69 2 液体激光器染料激光器 若丹明6G染料激光器 590nm 特点 输出波长连续可调 线宽小 连续方式输出稳定 功率大于1W 脉冲方式的输出功率高 脉冲输出能量可达120mJ 在掺钛蓝宝石出现之前 染料激光器是最理想的可调谐激光器 目前已在紫外 330mn 到近红外 1 85um 相当宽的范围内获得了连续可调谐输出 由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点 在激光光谱 同位素分离 医学及其他科技领域获得了广泛应用 2020 4 6 70 3 固体激光器工作物质 具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体 里面掺入具有发射激光能力的金属离子 典型例子 红宝石激光器 694 3nm Nd YAG 掺钕钇铝石榴石 激光器 1064nm 钛蓝宝石激光器特点 输出功率大 易产生高功率脉冲和超短脉冲 2020 4 6 71 4 半导体激光器工作物质 半导体材料 同质结半导体激光器 GaAs 840nm 异质结半导体激光器 AlGaAs GaAs 980nm 量子阱半导体激光器特点 输入能量最低 效率最高 体积最小 重量最轻 具有直接调制能力 在光通信中广泛应用 应用 在光存储 激光高速印刷 全息照相 激光准直 测距及医疗等许多方面广泛应用 而在光信息处理 光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾 是最有前途的辐射源之一 原理 本章最后 2020 4 6 72 半导体材料 Ge Si GaAs单晶体单晶 大量原子有规则地 周期性地排列 1 5半导体基础知识 自然存在的各种物质 分为气体 液体 固体 固体按导电能力可分为 导体 绝缘体和介于两者之间的半导体 电阻率10 6 10 3欧姆 厘米范围内 导体电阻率1012欧姆 厘米以上 绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间 半导体 2020 4 6 73 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的 而且对温度变化非常敏感 利用半导体的电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件 热敏电阻 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化 在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质测其导电能力将会成百万倍地增加 利用这一特性可制造各种不同用途的半导体器件 如半导体二极管 三极管等 利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件 像光电池 光电管和光敏电阻等 半导体导电能力及性质受光 电 磁等作用的影响 2020 4 6 74 电子的共有化运动 1 5 1固体的能带结构 2020 4 6 75 能带的形成 半导体材料多为共价晶体 每个原子的最外层电子和邻近原子形成共价键 自由电子 价电子 2020 4 6 76 能带结构禁带 ForbiddenBand 允许被电子占据的能带称为允许带 允许带之间的范围是不允许电子占据的 此范围称为禁带 原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满 然后再占据能量更高的外面一层的允许带 被电子占满的允许带称为满带 每一个能级上都没有电子的能带称为空带 价带 ValenceBand 原子中最外层的电子称为价电子 与价电子能级相对应的能带称为价带 导带 ConductionBand 价带以上能量最低的允许带称为导带 导带的底能级表示为Ec 价带的顶能级表示为Ev Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg 2020 4 6 77 本征半导体和杂质半导体 杂质半导体 纯净半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体 杂质可以显著地控制半导体的导电性质 本征半导体 结构完整 纯净的半导体 半导体材料多为共价键 共价键上电子受束缚力较小 易受到激发从价带跃过禁带而进入导带 成为 自由电子 价带中出现 自由空穴 导电的自由电子和自由空穴统称为载流子 2020 4 6 78 N型半导体在四价原子硅 Si 晶体中掺入五价原子 例如磷 P 或砷 As 形成N型半导体 在晶格中某个硅原子被磷原子所替代 五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键 而多余一个电子 此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多 容易被五价原子释放 游离跃迁到导带上形成自由电子 易释放电子的原子称为施主 施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED ED位于禁带中 较靠近材料的导带底 ED与Ec间的能量差称为施主电离能 N型半导体由施主控制材料导电性 2020 4 6 79 P型半导体在四价原子硅 Si 晶体中掺入三价原子 例如硼 B 形成P型半导体 晶体中某个硅原子被硼原子所替代 硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键 形成八个电子的稳定结构 尚缺一个电子 于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构 使硼原子外层多了一个电子变成负离子 而在硅晶体中出现空穴 容易获取电子的原子称为受主 受主获取电子的能量状态称为受主能级EA 也位于禁带中 在价带顶Ev附近 EA与Ev间能量差称为受主电离能 P型半导体由受主控制材料导电性 2020 4 6 80 1 5 2半导体中的载流子特性 热平衡下的载流子浓度 半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关 载流子浓度 单位体积内的载流子数 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下 载流子浓度一定 这种处于热平衡状态下的载流子浓度 称为平衡载流子浓度 热平衡状态下 激发 复合 载流子浓度是一稳定值 2020 4 6 81 半导体在外界条件有变化 如受光照 外电场作用 温度变化 时 载流子浓度要随之发生变化 此时系统的状态称为非热平衡态 载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子 电注入 通过半导体界面把载流子注入半导体 使热平衡受到破坏 光注入 光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带 同时在价带中留下等量的空穴 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础 半导体中的非平衡载流子 2020 4 6 82 半导体材料的光吸收效应半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础 光垂直入射到半导体表面时 进入到半导体内的光强遵照吸收律 Ix I0 1 r e xIx 距离表面x远处的光强I0 入射光强r 材料表面的反射率 材料吸收系数 与材料 入射光波长等因素有关 光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收 2020 4 6 83 1 本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带 在价带中留下空穴 产生等量的电子与空穴 这种吸收过程叫本征吸收 产生本征吸收的条件 入射光子的能量 h 至少要等于材料的禁带宽度Eg h Eg 2020 4 6 84 从而有 0 Eg h 0 hc Eg 1 24 m eV Egh 普朗克常数c 光速 0 材料的频率阈值 0 材料的波长阈值本征吸收在长波方向存在一个长波限 0Max hc Eg 1 24 Eg m eV 禁带宽度愈窄 长波限愈长 2020 4 6 85 2 杂质吸收非本征吸收包括杂质吸收 自由载流子吸收 激子吸收和晶格吸收等 杂质吸收 杂质能级上的电子 或空穴 吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带 空穴跃迁到价带 这种吸收称为杂质吸收 杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区 0 hc Ed 1 24 Ed m eV 2020 4 6 86 杂质吸收能带示意图 半导体对光的吸收主要是本征吸收 对于硅材料 本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍 一般照明下只考虑本征吸收 2020 4 6 87 光致非平衡载流子在光照过程中 产生了电子 空穴对 即光生载流子 产生与复合同时存在 在恒定持续光照下产生率保持在高水平 同时复合率也随非平衡载流子的增加而增加 直至二者相等 系统达到新的平衡 复合是指电子与空穴相遇时 成对消失 以热或发光方式释放出多余的能量 当光照停止 光致产生率为零 系统稳定态遭到破坏 复合率大于产生率 使非平衡载流子浓度逐渐减少 复合率随之下降 直至复合率等于热致的产生率时 非平衡载流子浓度将为零 系统恢复热平衡状态 2020 4 6 88 非平衡载流子寿命 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在