光電檢測輻射度與光度量.ppt

第一節(jié) 光輻射度量與光度量 第二節(jié) 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 第三節(jié) 光電效應(yīng),光輻射：通常把對應(yīng)于真空中的波長在380nm到780nm范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。廣義地講，X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射都可以叫光輻射。 光源：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù)中的光源可分為自然光源和人造光源兩類。,長波區(qū),射線區(qū),光學(xué)區(qū),另一類是生理的，叫作光度學(xué)量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強(qiáng)度，即光度量是具有標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性的人眼所接受到輻射量的度量。,在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類:,一類是物理的，叫作輻射度學(xué)量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；,1、輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。,2、輻射能密度 we :光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。,3、輻射通量e：又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率，單位為瓦 (1W=1J/s)，是單位時間內(nèi)發(fā)射、 傳播或接收的輻射能。,4、輻射強(qiáng)度 Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為 Wsr(瓦每球面度)，,5、輻射亮度 Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為 (瓦每球面度平方米) 。,6、輻射出射度Me：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，de 是擴(kuò)展源表面dA在各方向上(通常為半空間立體角)所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦/米2 (瓦每平方米)。,7、輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量，單位為 (瓦每平方米)。dA是投射輻射通量的面積元。,輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。 對于理想的散射面，有 Ee= Me,光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量的光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。,1、光譜輻射通量 ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量。單位為(瓦每微米) 或 (瓦每納米)。,在波長 處的光譜輻射通量為,在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為,3、光譜輻射強(qiáng)度I ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度。,2、光譜輻射出射度M：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度。,4、光譜輻射亮度L ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度。,5、光譜輻射照度E ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射照度。,1、關(guān)于輻射度量，正確的是（ ） A、Ee是描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性 B、Ie為從一個點(diǎn)光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內(nèi)所 輻射出的輻射能 C、 對于理想的散射面，有Ee= Me D、 e是輻射能的時間變化率,小測試,在任何條件下，完全吸收任何波長的外來輻射而無任何反射的物體。吸收系數(shù)為1 。,對于各種波長的電磁波的吸收系數(shù)為常數(shù)且與波長無關(guān)的物體，其吸收系數(shù)介于0與1之間的物體。,2、什么是黑體？,3、什么是灰體？,由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評定的 ，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參數(shù)量即光度量來描述。 光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度值。能量相同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強(qiáng)度是不相同的。,光度量只在光譜的可見波段(380nm-780nm)才有意義。,光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉，記作cd，它是國際單位制中七個基本單位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。,光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。 光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當(dāng)于lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。,人眼對各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度較差。,視見函數(shù)：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率V(),或稱視見函數(shù)。,1、光通量 ：光輻射通量對人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。,例：若在波長到d間隔之內(nèi)的光源輻射通量為e, d 。則光通量為,Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/瓦， Km683lm/W，它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V()=1）處,與1w的輻射能通量相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時1lm相當(dāng)于1/683W,2、發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。,3、光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。,4、光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。,距離平方反比定律,用點(diǎn)光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。,證明,如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為，則：,對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。,5、光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。 為給定方向與面元法線間的夾角。,6、光量Q：光通量對時間的積分，稱為光量。,1、關(guān)于光度量，正確的是（ ） A、輻射通量的單位為勒克斯 B、發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉 C、光通量的單位為流明 D、光照度的單位為坎德拉,小測試,2、國際單位制中7個基本單位有哪些？,熱力學(xué)溫度（開爾文） 物質(zhì)的量 （摩爾） 發(fā)光強(qiáng)度 （坎德拉） 長度 （米） 質(zhì)量 （千克） 時間 （秒） 電流 （安培）,明視覺：錐狀細(xì)胞只對亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光譜范圍為可見光，在555納米處最為敏感，而且能分辨顏色。這種視覺功能稱為明視覺或錐體細(xì)胞視覺； 暗視覺：亮度低于10-3cd/m2的時，桿狀細(xì)胞起作用。其敏感的光譜范圍為0.33微米0.73微米，在507納米處最為敏感，不能分辨顏色。這種視覺功能稱為暗視覺或夜間視覺；,對于明視覺，刺激程度平衡條件為：,其中：Km為555納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。,光度參量,輻射度參量,對于暗視覺，刺激程度平衡條件為：,光度參量,輻射度參量,其中： 為507納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。,一、填空題： 1、通常把對應(yīng)于真空中波長在（ ）到（ ）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。 2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（ ），另一類是（ ）。 3、光具有波粒二象性，既是（ ），又是（ ）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（ ），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時就突出地顯示出光的（ ）。,二、簡答題： 1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？ 2、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？,三、證明題： 證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個相距10倍的相同探測器上的照度相差多少倍？,四、計算題： 已知某激光器的輸出功率為3mW，波長視見函數(shù)為0.24，試計算其發(fā)出的光通量。,物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在106103cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于1012cm 以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。, 半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對溫度的變化非常敏感。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。,一、半導(dǎo)體的特性,二、能帶理論,能級：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運(yùn)動，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的。,“軌道”：電子出現(xiàn)幾率最高的部分區(qū)域。,泡利不相容原理：在一個原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個相同的電子同屬于一個量子態(tài)，即在每一個能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子。電子首先填滿最低能級，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。,能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶。,禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。,價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價帶。,導(dǎo)帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。,導(dǎo)帶的底能級表示為Ec（或E-），價帶的頂能級表示為Ev （或E+） ，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。,導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動（形成電流）來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。,絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖 a) 絕緣體 b) 半導(dǎo)體 c) 金屬,半導(dǎo)體兩端加電壓后:,如果價帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價帶中的電子是不導(dǎo)電的。,如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價帶中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運(yùn)動上迭加定向運(yùn)動而形成電流。,由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。,價電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級是空的。,1、關(guān)于能帶理論，正確的是（） A、價帶是允許帶 B、導(dǎo)帶是滿帶 C、禁帶是允許帶 D、導(dǎo)帶是允許帶 2、關(guān)于半導(dǎo)體，錯誤的是（） A、電阻溫度系數(shù)一般是正的 B、導(dǎo)電性能不受微量雜質(zhì)的影響 C、對溫度的變化非常敏感 D、導(dǎo)電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響,小測試,3、關(guān)于物體導(dǎo)電能力，正確的是（） A、物體導(dǎo)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 B、物體導(dǎo)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 C、物體價帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。 D、物體價帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。,單晶在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。 多晶只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。,現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料大多為晶體（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶：,本征半導(dǎo)體, 完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 在沒有外界作用和絕對零度時，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的。 由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。,晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。,雜質(zhì)半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,在晶格中摻入某個硅原子被磷原子所替代，五價原子用四個價電子與周圍的四價原子形成共價鍵，而多余一個電子，此多余電子受原子束縛力要比共價鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。 ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底EC 。 ED與EC間的能量差稱為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。,P型半導(dǎo)體,晶體中某個硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個價電子和周圍的硅原子中四個價電子要組成共價鍵，形成八個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級EA ，也位于禁帶中。在價帶頂EV附近， EA與EV間能量差稱為受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。,N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較,摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響： 半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。,(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體,三、熱平衡載流子,在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。,根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計分布規(guī)律。 在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即,熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級）的分布，二是這些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。,f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù) k：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K T：絕對溫度 EF：費(fèi)米能級(絕對零度時的電子的最高能級),費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線,當(dāng)E=EF時，f(E)=1/2,當(dāng)E1/2,當(dāng)EEF時，f(E)1/2,若(EEF) kT時,隨著E的增加， f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底EC附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂EV附近。,EF為表征電子占據(jù)某能級E的概率的“標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對于本征半導(dǎo)體 EF (EC + EV )/2,一般，費(fèi)米能級在禁帶中， (EEF) 比kT 大得多。所以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度n和價帶空穴濃度p分別為：,N為導(dǎo)帶的有效能級密度 N為價帶的有效能級密度,ni稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度,對本征半導(dǎo)體而言n=p,對于一種確定的半導(dǎo)體，不管它是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個常數(shù)本征載流子濃度的平方。,a) 重?fù)诫sP型 b) 輕摻雜P型 c) 本征型 d) 輕摻雜N型 e) 重?fù)诫sN型,小測試,半導(dǎo)體的費(fèi)米能級圖如下圖所示，以下表述中正確的是（ ）,A、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是N型半導(dǎo)體（3）是P型半導(dǎo)體 B、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是P型半導(dǎo)體（3）是N型半導(dǎo)體 C、（1）是N型半導(dǎo)體 （2）是P型半導(dǎo)體（3）是本征半導(dǎo)體 D、（1）是P型半導(dǎo)體 （2）是N型半導(dǎo)體（3）是本征半導(dǎo)體,四、非平衡載流子,半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。載流子濃度對于熱平衡狀態(tài)時濃度的增量稱為非平衡載流子。,電注入：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。 光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下等量的空穴。,產(chǎn)生非平衡載流子的方法,光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：,滿足 nnpn nn0pn0ni2 nn0 nnpn 條件的注入稱為強(qiáng)光注入。,滿足 nnpn nn0pn0ni2 nn0 nnpn 條件的注入稱為弱光注入。,對于弱光注入 nn=nn0+nnnn0 pn=pn0+pnpn 此時受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對光的響應(yīng)都是少子行為。,例如：一N型硅片，室溫下，nn0=5.51015cm-3，pn0=3.5104cm-3；弱光注入下，n =p=1010cm-3，此時非平衡載流子濃度 nn=nn0+nn=5.51015+1010 5.5 1015cm-3 pn=pn0+pn=3.5104+10101010cm-3,使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動稱為產(chǎn)生，單位時間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對數(shù)目稱為產(chǎn)生率G。 使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動稱為復(fù)合，單位時間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為復(fù)合率R。,在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時復(fù)合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。當(dāng)光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。,總結(jié),非平衡載流子壽命（1）非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時間。（2）當(dāng)非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時間。（3）它表征非平衡載流子的復(fù)合的快慢，小表示復(fù)合快，大表示復(fù)合慢。,復(fù)合是指電子與空穴相遇時，成對消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。,復(fù)合種類,通過復(fù)合中心復(fù)合：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復(fù)合中心間接復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價帶稱空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射；電子從價帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱空穴發(fā)射。,表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時會出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。,直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價帶，與價帶中的空穴復(fù)合。,五、載流子的運(yùn)動,當(dāng)沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運(yùn)動，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。,載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動。,載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運(yùn)動，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動稱為漂移。,在強(qiáng)電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會偏離歐姆定律。在弱電場作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動服從歐姆定律。,在N型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為：,j電流密度; n為載流子密度； q為電子電荷；為載流子平均漂移速度,歐姆定律的微分形式為：,有一定的電場強(qiáng)度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此電場強(qiáng)度與平均漂移速度有關(guān)系。,遷移率表示載流子在單位電場作用下所取得的漂移速度。,在電場中電子所獲得的加速度為,在漂移運(yùn)動中，因電子與晶格碰撞發(fā)生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如兩次碰撞之間的平均時間為f ，則經(jīng)f 后載流子的平均漂移速度為,遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小。,總結(jié),在電場作用下，任何載流子都要作漂移運(yùn)動。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載流子少得多，因此漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻(xiàn)。 在擴(kuò)散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對擴(kuò)散電流的貢獻(xiàn)主要是少數(shù)載流子。,六、半導(dǎo)體對光的吸收,由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為本征吸收。,物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。,產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁帶寬度。即,截止波長,雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。,導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。,價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。,半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽?，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。,半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對波長大于1.15m的可見光透明。,半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N型、P型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。,在無外電場或其它因素激發(fā)時PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過?？臻g電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值。空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。,PN結(jié)加正向電壓的情況,工作原理在外加電場的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)椤Ｒ话阒挥辛泓c(diǎn)幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。通常在回路中串入一個電阻用以限制電流。,PN結(jié)加反向電壓的情況,工作原理在外加電場的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過零點(diǎn)幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流。,將禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料，生長在同一晶體上，且可以做成突變的或緩變的結(jié)，這種由兩種不同的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。,肖特基結(jié)是一種簡單的金屬與半導(dǎo)體的交界面，它與PN結(jié)相似，具有非線性阻抗特性（整流特性）。,一、填空題： 1、價電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是（ ）、（ ）。 2、熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中（ ），二是這些能態(tài)中（ ）。 3、半導(dǎo)體對光的吸收有（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）。半導(dǎo)體對光的吸收主要是（ ）。,二、選擇題 關(guān)于非平衡載流子，錯誤的是（ ） A、光注入的方法可以產(chǎn)生非平衡載流子 B、光電探測器主要是利用弱光注入來得到非平衡載流子的 C、弱光注入是指產(chǎn)生的非平衡載流子的濃度大于熱平衡載 流子（多子）的濃度 D、光電探測器主要是利用強(qiáng)光注入來得到非平衡載流子的,三、簡答題： 1、摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？ 2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率小？ 3、產(chǎn)生本征吸收的條件是什么？,四、計算題 本征半導(dǎo)體材料Ge在297K下其禁帶寬度Eg=0.67(eV)，該材料制作的光電探測器的本征吸收截止波長是多少？,當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。 本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎是由于他對發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。,外光電效應(yīng)物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。,光電效應(yīng)分類：,內(nèi)光電效應(yīng)物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動而不會溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。,一、光電導(dǎo)效應(yīng)：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。,半導(dǎo)體無光照時為暗態(tài)，此時材料具有暗電導(dǎo)；有光照時為亮態(tài)，此時具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。,1、光電導(dǎo)體的靈敏度,在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。 光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。 光電導(dǎo)體的靈敏度與電極間距的平方成反比 。,光電導(dǎo)的大小與照射光的波長有密切關(guān)系。所以首先確定光譜分布，才能光電導(dǎo)來比較不同波長的光強(qiáng)。,2、光電導(dǎo)的光譜分布,光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。 對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)r 和下降時間常數(shù)f 來描述弛豫過程的長短。r表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%時所需的時間，f表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時所需的時間。,矩形脈沖光照弛豫過程圖,3、光電導(dǎo)弛豫,二、光生伏特效應(yīng)：簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。,當(dāng)光照均勻半導(dǎo)體一部分時，由于光生載流子的濃度梯度不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動，但電子和空穴的遷移率不同而導(dǎo)致兩種載流子分開，從而出現(xiàn)光生電勢，這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。,熱平衡態(tài)下的P-N結(jié),在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、E之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。,2、勢壘效應(yīng),N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費(fèi)米能級高的一方向費(fèi)米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)