光电检测辐射度与光度量ppt课件

1、 光辐射：通常把对应于真空中的波长在光辐射：通常把对应于真空中的波长在380nm380nm到到780nm780nm范围内的电磁辐射称为光辐射。广义地讲，范围内的电磁辐射称为光辐射。广义地讲，X X射线、射线、紫外辐射、可见光和红外辐射都可以叫光辐射。紫外辐射、可见光和红外辐射都可以叫光辐射。 光源：发出光辐射的物体叫光源。光电技术中的光光源：发出光辐射的物体叫光源。光电技术中的光源可分为自然光源和人造光源两类。源可分为自然光源和人造光源两类。 另一类是生理的，叫作光度学量，是描述光另一类是生理的，叫作光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强辐射能为平均人眼接受所引起的视觉

2、刺激大小的强度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接受到辐射量的度量。受到辐射量的度量。在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类: : 一类是物理的，叫作辐射度学量，是用能量单一类是物理的，叫作辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；位描述光辐射能的客观物理量；ergJJcal710118. 41 1 1、辐射能、辐射能QeQe：辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收：辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为的能量，单位为J(J(焦耳焦耳) )。dVdQwee/ 3 3

3、、辐射通量、辐射通量ee：又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，：又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦单位为瓦 (1W=1J/s) (1W=1J/s)，是单位时间内发射、，是单位时间内发射、 传播或接收的辐射能。传播或接收的辐射能。dtdQee/ 4 4、辐射强度、辐射强度 Ie Ie：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W Wsr(sr(瓦每球面度瓦每球面度) )， ddIee/coscos2dSdddSdILeee 5 5、辐射亮度、辐

4、射亮度 Le Le：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为 ( (瓦每球面度瓦每球面度平方米平方米) ) 。 dAdMee/ 6 6、辐射出射度、辐射出射度MeMe：辐射体在单位面积内所辐射的通量，：辐射体在单位面积内所辐射的通量，de de 是扩展源表面是扩展源表面dAdA在各方向上在各方向上( (通常为半空间立体角通常为半空间立体角) )所发出的总的辐射通量，单位为瓦所发出的总的辐射通量，单位为瓦/ /米米2 (2 (瓦每平方米瓦每平方米) )。 7 7、辐射

5、照度、辐射照度EeEe：投射在单位面积上的辐射通量，单位为：投射在单位面积上的辐射通量，单位为 ( (瓦瓦每平方米每平方米) )。dAdA是投射辐射通量的面积元。是投射辐射通量的面积元。 dAdEee/ 辐射照度和辐射出射度的单位相同，其辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。的辐射特性。 对于理想的散射面，有对于理想的散射面，有 Ee= Me Ee= Me 光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量

6、的光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许的光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。量是单位波长间隔内的辐射度量。 1 1、光谱辐射通量、光谱辐射通量 ：光源发出的光在每单位波长间隔内的：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量，也称光谱密度或单色辐射通量。单位为辐射通量，也称光谱密度或单色辐射通量。单位为( (瓦每微米瓦每微米) ) 或或 ( (

7、瓦每纳米瓦每纳米) )。 e dde 在波长在波长 处的光谱辐射通量为处的光谱辐射通量为 在整个光谱内，总的辐射通量为在整个光谱内，总的辐射通量为 de0 ddIIe)( 3 3、光谱辐射强度、光谱辐射强度I I ：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强度。射强度。 ddMMe)( 2 2、光谱辐射出射度、光谱辐射出射度MM：光源发出的光在每单位波长间隔内的：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出射度。辐射出射度。eMdM0)(eIdI0)( ddEEe)( 4 4、光谱辐射亮度、光谱辐射亮度L L ：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐：光源发出的光在每单位

8、波长间隔内的辐射亮度。射亮度。 ddLLe)( 5 5、光谱辐射照度、光谱辐射照度E E ：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射照度。射照度。eLdL0)(eEdE0)(1 1、关于辐射度量，正确的选项是（、关于辐射度量，正确的选项是（ ）A A、EeEe是描述扩展辐射源向外发射的辐射特性是描述扩展辐射源向外发射的辐射特性B B、IeIe为从一个点光源发出的，给定方向上单位立为从一个点光源发出的，给定方向上单位立体角内所体角内所 辐射出的辐射能辐射出的辐射能 C C、 对于理想的散射面，有对于理想的散射面，有Ee= Me Ee= Me D D、 e e是辐射

9、能的时间变化率是辐射能的时间变化率 在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体。吸收系数为而无任何反射的物体。吸收系数为1 1 。 对于各种波长的电磁波的吸收系数为常数且与对于各种波长的电磁波的吸收系数为常数且与波长无关的物体，其吸收系数介于波长无关的物体，其吸收系数介于0 0与与1 1之间的物之间的物体。体。2 2、什么是黑体？、什么是黑体？3 3、什么是灰体？、什么是灰体？ 由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的终是以人眼来评定的 ，因此照明光源的光学特性必须用基

10、，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。 光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。 光度量只在光谱的可见波段光度量只在光谱的可见波段(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意义。才有意义。 光度量中最基本的单位是发光强度单位光度量中最基本的单位是发光强度单位坎德拉，记作坎德拉，记作cdcd，它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是，它是国际单位制中七个基本单位

11、之一。其定义是555nm555nm波波长的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为长的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1 1683Wsr-1683Wsr-1时，时，在该方向上的发光强度为在该方向上的发光强度为lcdlcd。 光通量的单位是流明光通量的单位是流明(lm)(lm)，它是发光强度为，它是发光强度为lcdlcd的均匀点的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量。光源在单位立体角内发出的光通量。 光照度的单位是勒克斯光照度的单位是勒克斯(lx)(lx)，它相当于，它相当于lmlm的光通量均匀地的光通量均匀地照在照在1m21m2面积上所产生的光照度。面积上所产生的光照度。 人眼对各种波长的光的感光

12、灵敏度是不一样的，一般情况人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的，一般情况下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差。下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差。 视见函数：国际照明委员会视见函数：国际照明委员会CIECIE根据对许多人的大量观根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为相对灵敏度，称为“标准光度观察者的光谱光视效率标准光度观察者的光谱光视效率V(),V(),或称视见函数。或称视见函数。1)(V1)075(:1)555(:nmVnmV暗视觉明视觉 1 1、光通量、光通量 ：光辐射通量对人眼所引

13、起的视觉强度值。：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。 例：若在波长例：若在波长到到dd间隔之内的光源辐射通量为间隔之内的光源辐射通量为e, e, d d 。则光通量为。则光通量为780380,)()(dVKdVKemem Km Km为辐射度量与光度量之间的比例系数，单位为流明为辐射度量与光度量之间的比例系数，单位为流明/ /瓦，瓦， KmKm683lm/W683lm/W，它表示在波长为，它表示在波长为555nm555nm处，即人眼光谱光视效率处，即人眼光谱光视效率最大最大V()=1V()=1处处, ,与与1w1w的辐射能通量相当的光通量为的辐射能通量相当的光通量为683lm683lm；换句话

14、，此时换句话，此时1lm1lm相当于相当于1/683W1/683W 2 2、发光强度、发光强度I I：光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光：光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度。通量，称为光源在该方向上的发光强度。ddI 3 3、光出射度、光出射度M M：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度。称为光源在该点的光出射度。dAdMdAdE 4 4、光照度、光照度E E：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，称为该点的光照度。称为该点的光

15、照度。 用点光源照明时，被照面的照度用点光源照明时，被照面的照度E E与光与光源的发光强度源的发光强度I I成正比，而与被照面到光源的成正比，而与被照面到光源的距离距离l l的平方成反比。的平方成反比。 2lIE 2224444RIRIdAdERdAdERII的球面上的辐射照度为半径为又的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为如果被照面不垂直于光如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线线方向，而法线与光线的夹角为的夹角为，那么：，那么：cos2lIE 对于受到光照后成为面对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比，出射度与光照度成正比，其中其

16、中为漫反射率，它小为漫反射率，它小于于1，它与表面的性质无，它与表面的性质无关。关。EM 5 5、光亮度、光亮度L L：光源表面一点处的面元：光源表面一点处的面元dAdA在给定方向上的发光强在给定方向上的发光强度度dIdI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。光源在该方向上的亮度。 为给定方向与面元法线间的夹角。为给定方向与面元法线间的夹角。cosdAdIL 6 6、光量、光量Q Q：光通量：光通量对时间的积分，称为光量。对时间的积分，称为光量。dtQ1 1、关于光度量，正确的选项是（、关于光度量，正确

17、的选项是（ ） A A、辐射通量的单位为勒克斯、辐射通量的单位为勒克斯 B B、发光强度的单位为坎德拉、发光强度的单位为坎德拉 C C、光通量的单位为流明、光通量的单位为流明 D D、光照度的单位为坎德拉、光照度的单位为坎德拉 2、国际单位制中7个基本单位有哪些？热力学温度开尔文）物质的量 （摩尔）发光强度 （坎德拉）长度 （米）质量 （千克）时间 （秒）电流 （安培） 明视觉：锥状细胞只对亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光谱范围为可见光，在555纳米处最为敏感，而且能分辨颜色。这种视觉功能称为明视觉或锥体细胞视觉； 暗视觉：亮度低于10-3cd/m2的时，杆状细胞起作用。其敏感

18、的光谱范围为0.33微米0.73微米，在507纳米处最为敏感，不能分辨颜色。这种视觉功能称为暗视觉或夜间视觉；对于明视觉，刺激程度平衡条件为：对于明视觉，刺激程度平衡条件为： ,emXVKX其中：其中：KmKm为为555555纳米处的光度量对辐射度量的转纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。换常数。光度参量光度参量辐射度参量辐射度参量WlmKm683对于暗视觉，刺激程度平衡条件为：对于暗视觉，刺激程度平衡条件为： ,emXVKX光度参量光度参量辐射度参量辐射度参量WlmKm1725其中：其中： 为为507507纳米处的光度量对辐射度量的转纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。换常数。mK 物体按导

19、电能力分：导体、绝缘体和半导体。物体按导电能力分：导体、绝缘体和半导体。做光电器件的主要材料为半导体，电阻率在做光电器件的主要材料为半导体，电阻率在10106 6101033cmcm范围之内的物质称为导体；电阻率大范围之内的物质称为导体；电阻率大于于10121012cm cm 以上的物质称为绝缘体；介于它们之以上的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体。间的物质称为半导体。 半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的变化非常敏感。度的变化非常敏感。 半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。发生十

20、分显著的变化。 半导体的导电能力及性质会受热、光、电、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。能级：在孤立原子中，原子核外的电子绕能级：在孤立原子中，原子核外的电子绕原子核运动，它们具有完全确定的能量，这原子核运动，它们具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。介于各能级之间所取的确定能量称为能级。介于各能级之间的量子态是不存在的。的量子态是不存在的。“轨道轨道”：电子出现几：电子出现几率最高的部分区域。率最高的部分区域。泡利不相容原理：

21、在一个原子或原子组成的系统泡利不相容原理：在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个相同的电子同属于一个量子态，即中，不能有两个相同的电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。电子首先填满最低能级，而后依次向上填，的电子。电子首先填满最低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。直到所有电子填完为止。能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能

22、转移到层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为允许带，允许带禁带：晶体中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。被电子占之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。被

23、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。带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相价带：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。对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。 允许带导带）允许带导带）允许带价带允许带价带）允许带满带）允许带满带）禁带禁带E禁带禁带导带的底能级表示为导带的底能级表示为EcEc或或E-E-），价带的顶能级），价带的顶能级表示为表示为Ev Ev （或（或E+E+） ，EcEc与与EvEv之间的能量

24、间隔称为之间的能量间隔称为禁带禁带EgEg。导带导带价带价带禁带禁带EVcgEEE或EEcEEV或 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动形成电流导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动形成电流来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a) a) 绝缘体绝缘体 b) b) 半导体半导体 c) c) 金属金属 半导体两端加电压后半导体两端加电压后: :如果价带

25、中填满了电子而没有空能级，在外如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，又没有足够的能量跃迁到导带，电场的作用下，又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电的。那么价带中的电子是不导电的。价带价带导带导带禁带禁带E( (满带满带) )如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则价带中留空位，邻近能级上的电到导带中，则价带中留空位，邻近能级上的电子在电场作用下可以跃入这些空位，而在这些子在电场作用下可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子在原来热运动上迭加定向运动而形

26、成电流。在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。价带价带导带导带禁带禁带E由于导带中存在大量的空能级，所以在外电由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，导带电子能够得到足够的能量跃场的作用下，导带电子能够得到足够的能量跃迁到空的能级上，形成电流，所以导带电子是迁到空的能级上，形成电流，所以导带电子是可以导电的。可以导电的。价带价带导带导带禁带禁带E 价电子的运动状态发生变化价电子的运动状态发生变化, ,使使它跃迁到新的能级上的条件是：能给它跃迁到新的能级上的条件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空的。跃入的能级是空的。价带价带导带导带禁

27、带禁带E1 1、关于能带理论，正确的选项是（）、关于能带理论，正确的选项是（） A A、价带是允许带、价带是允许带 B B、导带是满带、导带是满带 C C、禁带是允许带、禁带是允许带 D D、导带是允许带、导带是允许带 2 2、关于半导体，错误的选项是（）、关于半导体，错误的选项是（） A A、电阻温度系数一般是正的、电阻温度系数一般是正的 B B、导电性能不受微量杂质的影响、导电性能不受微量杂质的影响 C C、对温度的变化非常敏感、对温度的变化非常敏感 D D、导电性受热、光、电、磁等外界作用的影响、导电性受热、光、电、磁等外界作用的影响 3 3、关于物体导电能力，正确的选项是（）、关于物体

28、导电能力，正确的选项是（） A A、物体导带上的电子越多，其导电能力越强。、物体导带上的电子越多，其导电能力越强。 B B、物体导带上的电子越少，其导电能力越强。、物体导带上的电子越少，其导电能力越强。 C C、物体价带上的电子越多，其导电能力越强。、物体价带上的电子越多，其导电能力越强。 D D、物体价带上的电子越少，其导电能力越强。、物体价带上的电子越少，其导电能力越强。 单晶单晶在一块材料中，原子全部作有规则在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。的周期排列。 多晶多晶只在很小范围内原子作有规则的排只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶列，形成小晶粒，

29、而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。粒界隔开。 现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排材料大多为晶体晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分为单晶与多晶：列）。晶体分为单晶与多晶： 完全纯净和结构完整的半导体称完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。为本征半导体。 在没有外界作用和绝对零度时，在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有电子，价带本征半导体的导带中没有电子，价带中没有空穴，它是不导电的。中没有空穴，它是不导电的。 由于半导体的禁带宽度较小，所由

30、于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子可以激发跃以在外界作用下，价电子可以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带中有空穴，本征半导中有电子，价带中有空穴，本征半导体就有了导电能力。体就有了导电能力。EEgE 晶体总是含有缺陷和杂质的，而晶体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶体其它原子不杂质原子上的能级和晶体其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之内。能带的范围之内。N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 在晶格中掺入某个硅原子被磷原子所替在晶格中掺入某个硅

31、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称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级主能级EDED。 ED ED位于禁带中，较靠近材料的导位于禁带中，较靠近材料的导带底带底EC EC 。 ED ED与与EC

32、EC间的能量差称为施主电离间的能量差称为施主电离能。能。N N型半导体由施主控制材料导电性。型半导体由施主控制材料导电性。EEgEDEP P型半导体型半导体 晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子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。容易获变成负

33、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状态称为受主能级EA EA ，也位于禁带中。在价带，也位于禁带中。在价带顶顶EVEV附近，附近， EA EA与与EVEV间能量差称为受主电离能。间能量差称为受主电离能。P P型半导体由受主控制材料导电性。型半导体由受主控制材料导电性。EEgEAEN N型半导体与型半导体与P P型半导体的比较型半导体的比较掺杂对半导体导电性能的影响：掺杂对半导体导电性能的影响： 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价

34、带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。而显著地影响半导体的电导率。EEgE)(aEE)(bgEDEEE)(cgEAE(a)(a)本征半导体本征半导体(b)N(b)N型半导体型半导体(c)P(c)P型半导体型半导体 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的在一定温度下，若没有其他的外

35、界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时的载流子成为两种过程形成平衡，称为热平衡状态

36、，此时的载流子成为热平衡载流子，它的浓度即为某一稳定值。热平衡载流子，它的浓度即为某一稳定值。 根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。 在某温度下热平衡态，能量为在某温度下热平衡态，能量为E E的能态被电子占据的概率由费米的能态被电子占据的概率由费米- -狄拉克狄拉克函数给出，即函数给出，即 kTEEFeEf/11 热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态或能级的分布，二是这些能态中每一个能态在能带中能态或能级的分布，二是这些能态中每一个能态

37、可能被电子占据的概率。可能被电子占据的概率。f(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度EF：费米能级(绝对零度时的电子的最高能级)费米费米- -狄拉克函数曲线狄拉克函数曲线当当E=EFE=EF时，时，f(E)=1/2f(E)=1/2当当EEFE1/2f(E)1/2当当EEFEEF时，时，f(E)1/2f(E)kTEF) kT时时 kTEkTEkTEEkTEEeeeeEfFFF/11 随着随着E E的增加，的增加， f(E) f(E)迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底带底ECEC附近。同

38、样价带中空穴的绝大部分都在价带顶附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶EVEV附近。附近。 EF EF为表征电子占据某能级为表征电子占据某能级E E的概率的的概率的“标尺标尺”，它定性表示导带中电子或，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。常温下价带中空穴的多少。常温下EFEF随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体 EF (EC + EV )/2 EF (EC + EV )/2 普通，费米能级在禁带中，普通，费米能级在禁带中， (E (EEF) EF) 比比kT kT 大得多。所以大得多。所以半导体的导带电子浓度半导体的导带电子浓度n n和价带空穴浓度和价

39、带空穴浓度p p分别为：分别为：kTEEkTEEVFFCeNpeNn/N为导带的有效能级密度N为价带的有效能级密度kTEkTEEkTEEkTEEgVCVFFCeNNeNNeNeNpn/pnnnpnii2ni称为半导体的本征载流子浓度称为半导体的本征载流子浓度对本征半导体而言对本征半导体而言n=pn=p 对于一种确定的半导体，不管它是本征半对于一种确定的半导体，不管它是本征半导体还是杂质半导体，也不管掺杂的程度如何，在导体还是杂质半导体，也不管掺杂的程度如何，在热平衡状态下，两种载流子的浓度乘积必定等于一热平衡状态下，两种载流子的浓度乘积必定等于一个常数个常数本征载流子浓度的平方。本征载流子浓度

40、的平方。2ikTEneNNpng/a) a) 重掺杂重掺杂P P型型 b) b) 轻掺杂轻掺杂P P型型 c) c) 本征型本征型d) d) 轻掺杂轻掺杂N N型型 e) e) 重掺杂重掺杂N N型型半导体的费米能级图如下图所示，以下表述中正确的是（ ）A、（1是本征半导体2是N型半导体3是P型半导体B、（1是本征半导体2是P型半导体3是N型半导体C、（1是N型半导体 （2是P型半导体3是本征半导体D、（1是P型半导体 （2是N型半导体3是本征半导体 半导体在外界条件有变化如受光照、外电场作用、温度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

41、称变化时，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。为非平衡载流子。pppnnn00为非平衡载流子浓度和度为热平衡时的载流子浓和为半导体的载流子浓度和pnpnpn00 电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。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，同时在价带中留电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中

42、留下等量的空穴。下等量的空穴。产生非平衡载流子的方法产生非平衡载流子的方法光注入分为强光注入与弱光注入：光注入分为强光注入与弱光注入：满足满足 nnpn nn0pn0 nnpn nn0pn0ni2ni2 nn0 nn nn0 nn0pn0 nnpn nn0pn0ni2ni2 nn0 nn nn0 nnpnpn 条件的注入称为弱光注入。条件的注入称为弱光注入。对于弱光注入对于弱光注入 nn=nn0+nnnn0 nn=nn0+nnnn0 pn=pn0+pnpn pn=pn0+pnpn此时受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对此时受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应

43、都是少子行为。光的响应都是少子行为。例如：一例如：一N N型硅片，室温下，型硅片，室温下，nn0=5.5nn0=5.51015cm-31015cm-3，pn0=3.5pn0=3.5104cm-3104cm-3；弱光注入下，；弱光注入下，n =p=1010cm-3n =p=1010cm-3，此时非，此时非平衡载流子浓度平衡载流子浓度 nn=nn0+nn=5.5nn=nn0+nn=5.51015+1010 5.51015+1010 5.5 1015cm-3 1015cm-3 pn=pn0+pn=3.5pn=pn0+pn=3.5104+10101010cm-3104+10101010cm-3 使非平

44、衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G G。 使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R R。 在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒定持续光照在光照过程中，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

45、的平衡。当光照停止，加而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。当光照停止，光产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大于产生率，光产生率为零，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。复热平衡状态。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命1 1非平衡载流子从产生到复合之前的平非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。（均存在时间。（2 2当非平衡载流子的浓度衰减到原来的当非平衡载流子的浓

46、度衰减到原来的1/e1/e所所需的时间。（需的时间。（3 3它表征非平衡载流子的复合的快慢，它表征非平衡载流子的复合的快慢，小表示小表示复合快，复合快，大表示复合慢。大表示复合慢。)/(/pn或复合率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。出多余的能量。 通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入价

47、带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。子从价带被激发到复合中心称空穴发射。表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。 当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均当没有外加电场时，电子

48、作无规则运动，其平均定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。 载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。穴向负电极方向运动称为漂移。 在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿

49、半导体会偏离在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律。在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服欧姆定律。在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。从欧姆定律。在在N N型半导体中，漂移所引起的电流密度为：型半导体中，漂移所引起的电流密度为：j电流密度电流密度; n为载流子密度；为载流子密度；q为电子电荷；为电子电荷；为载流子平均漂移速度为载流子平均漂移速度nqj 欧姆定律的微分形式为：欧姆定律的微分形式为：j为电场强度为电导率； 有一定的电场强度，就有一定的电流密度，因而也就有一定有一定的电场强度，就有一定的电流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此电场强度与平均漂移

50、速度有关系。的平均漂移速度。因此电场强度与平均漂移速度有关系。 迁移率表示载流子在单位电场作用下所取得的漂移速度。迁移率表示载流子在单位电场作用下所取得的漂移速度。nqnqnq称为迁移率设 在电场中电子所获得的加速度为在电场中电子所获得的加速度为为载流子的有效质量*/mmqa在漂移运动中，因电子与晶格碰撞发生散射，故每次碰撞后在漂移运动中，因电子与晶格碰撞发生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如两次碰撞之间的平均时间为漂移速度降到零。如两次碰撞之间的平均时间为f f ，则经，则经f f 后载流子的平均漂移速度为后载流子的平均漂移速度为ffmqa*fmq* 迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间

51、有关。由于空穴迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比电子的的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比电子的迁移率小。迁移率小。 在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般情况下，在电场作用下，任何载流子都要作漂移运动。一般情况下，少数载流子比多数载流子少得多，因此漂移电流主要是多数载流少数载流子比多数载流子少得多，因此漂移电流主要是多数载流子的贡献。子的贡献。 在扩散情况下，只有光照所产生的少数载流子存在很大的浓在扩散情况下，只有光照所产生的少数载流子存在很大的浓度梯度，所以对扩散电流的贡献主要是少数载流子。度梯度，所以对扩

52、散电流的贡献主要是少数载流子。 由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收称为本征吸收。称为本征吸收。 物体受光照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，物体受光照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，其余的光透过物体。半导体材料吸收光子能量转换成电能是其余的光透过物体。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。光电器件的工作基础。 产生本征吸收的条件：入射光子的能量产生本征吸收的条件：入射光子的能量hh至至少要等于材料的禁带宽度。即少要等于材料的禁带宽度。即gEhmE.EchhEcEhgggg241mEEhcgg24. 10

53、截止波长截止波长 杂质能级上的电子或空穴吸收光子能量从杂质能级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。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。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。iVAiDCEchEEchEchEEch或为杂质的电离能iE 导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。载流子吸收，表现为红外吸收。 价

54、带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。 半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变

55、为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。这种吸收称为晶格吸收。 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征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，可认为硅对波长大于倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长大于1.15m1.15m的可见光透明。的可见光透明。 半导体的电学性质很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。半导体的电学性质很大程度上取决于所含杂质的种类和数

56、量。把把N N型、型、P P型和本征型和本征i i型半导体配合起来，结成不均匀的半导体，型半导体配合起来，结成不均匀的半导体，能制造各种半导体器件。能制造各种半导体器件。 在无外电场或其它因素激发时在无外电场或其它因素激发时PNPN结处于平衡状态，没结处于平衡状态，没有电流流过。空间电荷区的宽度和电位差为恒定值。空有电流流过。空间电荷区的宽度和电位差为恒定值。空间电荷区中没有载流子，所以又称耗尽层，其宽度一般间电荷区中没有载流子，所以又称耗尽层，其宽度一般为数微米。为数微米。 PNPN结加正向电压的情况结加正向电压的情况工作原理工作原理在外加电场的作在外加电场的作用下，多子被推向耗尽层，结用下

57、，多子被推向耗尽层，结果耗尽层变窄，内电场被削弱，果耗尽层变窄，内电场被削弱，这有利于多子的扩散而不利于这有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成正向电流。耗尽通过回路形成正向电流。耗尽层两端的电位差变为。一般只层两端的电位差变为。一般只有零点几伏，所以不大的正向有零点几伏，所以不大的正向电压就可以产生相当大的正向电压就可以产生相当大的正向电流。通常在回路中串入一个电流。通常在回路中串入一个电阻用以限制电流。电阻用以限制电流。 PNPN结加反向电压的情况结加反向电压的情况工作原理工作原理在外加电场在外加电场的作用下，耗尽层变宽，的作用下，耗尽层变

58、宽，内电场被加强，结果阻止内电场被加强，结果阻止了多子的扩散，但促使少了多子的扩散，但促使少子漂移，在回路中形成反子漂移，在回路中形成反向电流。因少子的浓度很向电流。因少子的浓度很低，并在温度一定时少子低，并在温度一定时少子的浓度不变，所以反向电的浓度不变，所以反向电流不仅很小，而且当外加流不仅很小，而且当外加电压超过零点几伏后，因电压超过零点几伏后，因少子的供应有限，它基本少子的供应有限，它基本上不随外加电压增加而增上不随外加电压增加而增加，故称为反向饱和电流。加，故称为反向饱和电流。 将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一晶将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一晶体上，且可以做成突

59、变的或缓变的结，这种由两种不同体上，且可以做成突变的或缓变的结，这种由两种不同的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结。的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结。 肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面，它肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面，它与与PNPN结相似，具有非线性阻抗特性整流特性）。结相似，具有非线性阻抗特性整流特性）。一、填空题：一、填空题：1 1、价电子的运动状态发生变化、价电子的运动状态发生变化, ,使它跃迁到新的能级使它跃迁到新的能级上的条件是（上的条件是（ ）、（）、（ ）。）。2 2、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有、热平衡时半导体中自由载流子浓度与

60、两个参数有关：一是在能带中（关：一是在能带中（ ），二是这些能态中（），二是这些能态中（ ）。）。3 3、半导体对光的吸收有（、半导体对光的吸收有（ ）（）（ ）（）（ ）（）（ ）（ ）。半导体对光的吸收主要是（）。半导体对光的吸收主要是（ ）。）。 二、选择题二、选择题 关于非平衡载流子，错误的选项是（关于非平衡载流子，错误的选项是（ ）A A、光注入的方法可以产生非平衡载流子、光注入的方法可以产生非平衡载流子 B B、光电探测器主要是利用弱光注入来得到非平衡载流、光电探测器主要是利用弱光注入来得到非平衡载流子的子的C C、弱光注入是指产生的非平衡载流子的浓度大于热平、弱光注入是指产生的非