第1章第1节理论基础

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 1 第一章 光电信息技术物理基础 第一节理论基础 1.1.1 1.1.1 能带理论能带理论 能带：是现代物理学描写固体中原子外层电子运动能带：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） 1s 2s 2p 3p 3s 原原子子能能级级 1s 2s 2p 3s 结结晶晶格格能能带带 填填 满满 未未填填满满 图1.1.1-2 原子的能限和结晶格中的能带之比较 v 金属（导体）金属（导体） 1s 2s 2p 3s 钠钠 (1s2 2s2 2p6 3s1

2、 ) 晶晶体体能能带带 满满 带带 半半满满带带 空空 带带3p 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。 与无序的热激发明显不同的是受与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

3、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。 v 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 v

4、 绝缘体绝缘体 1s 2s 2p 3s 价价 带带 ( (满满 ) ) 导导 带带 ( (空空 ) ) 3p 绝绝 缘缘 体体 能能 带带 能能 隙隙 较较 大大 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 重叠。由于价带的所有状态都被占有，电子的能量被重叠。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

5、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。( ( 见下图见下图) ) 对于具有与绝缘体同样能带图的硅和锗，由于原子的平衡对于具有与绝缘体同样能带图的硅和锗，由于原子的平衡 间距下价带与导带之间的能隙要小得多间距下价带与导带之间的能隙要小得多( ( 在硅中为在硅中为 1.1 eV1.1 eV，在，在 锗中为锗中为 0.7 eV )0.7 eV )，于是要将价带中最上面的电子激发到导带内，于是要将价带

6、中最上面的电子激发到导带内 时就容易得多了。图时就容易得多了。图1.1.1-6 1.1.1-6 中示出这种情况。中示出这种情况。 半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之间的半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之间的 能隙约为能隙约为 1 eV 1 eV 或更小，因而比较容易用加热方法把电子或更小，因而比较容易用加热方法把电子 从价带中激发到导带中。从价带中激发到导带中。 价价 带带( (满满) ) 导导 带带( (空空) ) 半半导导体体能能带带 能能隙隙较较小小 图1.1.1-6 半导体内的能带 v 半导体半导体 电子跃迁导致：电子跃迁导致： 在上面的导带中少数电子所起的作用和它们在

7、金属中所起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 象是正的电子象是正的电子 因此，它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导因此，它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导 电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带，电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以所以 电导率随温度而迅速增加。电导率随温度而迅速增加。 例：当硅晶体温度从例：当硅晶体温度从250 K 250 K 增加到增加到450 K 450 K 时，激发电子的数目时，激

8、发电子的数目 增加增加10106 6 倍。 倍。 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 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 增加一个杂质原子，就多一个额外电子。增加一个杂质原子，就多一个额外电子。 这些额外的电子这些额外的电子(

9、 (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 a )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。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。 价价 带带( (满满) ) 导导 带带( (空空)

10、) 能能 隙隙 较较小小 杂杂质质能能级级 图1.1.1-7 半导体中的杂质： (a)施主或 n 型 P P型半导体型半导体 杂质原子可以比半导体原子具有较少的电子。在基质物质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，这两种原子都只为硅和锗的情况下，杂质原子可以是硼或铝，这两种原子都只 贡献贡献3 3 个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能级个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能级 ，这些，这些 能级的位置很靠近价带顶能级的位置很靠近价带顶( ( 图图1.1.1-7 b )1.1.1-7 b )。因此，容易把价带。因此，容易把价带 中一些具

11、有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价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。这些电子起着正电子的作用。这种杂质带中产生空态即空穴。这些电子起着正电子的作用。这种杂质 原子叫做受主，这种半导体叫做原子叫做受主，这种半导体叫做 p 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 较较小小 杂杂质质能能级级 + + + + + + + + 图1.1.1-7 半导体中的杂质： (b)受主，或 p 型 1.1.2 1.1.2 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

12、应光电导效应 光伏效应光伏效应 光电热效应光电热效应 一、外光电效应（光电发射效应）一、外光电效应（光电发射效应） 是指物体受到光照后向外发射电子的现象。是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，光电阴极的饱和光当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光 电发射电流电发射电流 I IK K 与被阴极所吸收的光通量与被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。 2、光电发射第二定律光电发射第二定律

13、 发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地发射出光电子的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：符合爱因斯坦方程： o 2 maxev m 2 1 h h h：普朗克恒量（：普朗克恒量（6.6260556.6260550.00000400.00000401010-34 -34J.s J.s）；）； V 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 vmax: max: 出射光电子的最大速率； 出射光电子的最大速率； O: O: 光

14、电阴极的逸出功。 光电阴极的逸出功。 3 3、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度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限0 0 ，就 ，就 不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应 该为零，因此，金属的红限为该为零，因此，金属的红限为 h / 00 4 4、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

15、时间不超过证明，光电发射的延迟时间不超过3 31010-13 -13 s s 的数量级。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的频率响应。外光电效应器件具有很高的频率响应。 光电发射瞬时性的原因是由于它不牵涉到电子在原子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。 光电发射不仅发生在物体的表面层，而且还深入到阴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应。而前者则极材料的深层，通常称为光电发射的体积效应。而前者则 称为光电发射的表面效应。称为光电发射的表面效应。 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 16 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。 电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。 入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的 能隙能隙 E (E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离) )。即。即 光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限光电导