光电功能材料及应用 - 考试重点

1、导电材料的分类：导电材料的分类：电子导电材料：起源于电子的运动离子导电材料：起源于离子的运动电子导电材料导体 105 S/m超导体 无限大半导体 在10-7104S/m 材料材料绝缘体绝缘体半导体半导体导导 体体超导体超导体1在孤立原子中，原子核外的电子具有在孤立原子中，原子核外的电子具有分立的能量值，或者说分立的能量值，或者说电子的能量只能允电子的能量只能允许有一系列离散的值。许有一系列离散的值。电子的（也即原子的）能量被量子化。电子的（也即原子的）能量被量子化。每一个能量取值叫做一个能级。每一个能量取值叫做一个能级。能级能级2允许带（允带）允许带（允带） ：允许被电子占据的能带称为允许带，

2、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。满带：满带：被电子占满的允许带称为满带。空带：空带：每一个能级上都没有电子的能带称为空带。3导带：导带： 价带以上能量最低的允许带称为导带。价带：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。禁带：禁带： 允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。4无机非金属导电机制： 电子导电：载流子是电子或电子空穴； 离子导电：载流子是离子或离子空位。离子电导机理：导电高分子导电高分子是指电导率在半导体和导体范围内的高分子材料，也是指其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。5各原子间

3、的相互作用各原子间的相互作用 原来孤立原子的能级发生分裂原来孤立原子的能级发生分裂若有若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，条靠得很近的能级，能带的宽度记作能带的宽度记作 E E eV 的量级的量级 若若N1023，则能带中两相邻能级的间距，则能带中两相邻能级的间距称为称为能带（能带（energy band）。）。约为约为10-23eV。能带理论回顾能带理论回顾6半导体导电机理半导体导电机理： 半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带

4、中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可以按照电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是导电的载流子。激发既可以是热激发，也可以是半导体中非热激发，通过激发，半导体产生载流子，从而导电。7半导体种类半导体种类按成按成分分元素半导体：本征，掺杂元素半导体：本征，掺杂化合物半导体：合金，化合物，化合物半导体：合金，化合物，陶瓷，有机高分子陶瓷，有机高分子本征半导体本征半导体 ( 10( 10(n, p)( 10-9-9) )按杂质含量按杂质含量81. n型半导体型半导体又称又称 n 型半导体。型半导体。本征半导体本征半导体 Si、Ge等的四个价电子

5、，与另四等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，个原子形成共价结合，当掺入少量五价的当掺入少量五价的杂质杂质元素（如元素（如P、As等）时，等）时， 就形成了就形成了电子型半导体，电子型半导体，2. p型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等掺入少量三等掺入少量三价的价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、In等）时，就等）时，就形成形成空穴型半导体，空穴型半导体，又称又称 p 型半导体。型半导体。例：硅掺入磷后成了 n型 半导体9p -n 结结一一. p - n 结的形成结的形成 在在 n 型型半导体基片的一侧半导体基片的一侧掺入较高浓度的掺入较高浓度的面附近面附近产生了

6、一个产生了一个内建内建内内E。内内E阻止电子和空穴进一步扩散。阻止电子和空穴进一步扩散。内内E电子和空穴的扩散，电子和空穴的扩散，在在p型和型和n型半导体型半导体交界交界p型半导体型半导体(补偿作用补偿作用)。受主杂质受主杂质，（电）场（电）场该区就成为该区就成为n型型p型型10 内建场大到一定内建场大到一定程度，不再有净电程度，不再有净电荷的流动，达到了荷的流动，达到了新的平衡。新的平衡。 在在p型和型和 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为结（阻挡层，耗尽层），其厚度约为0.1 m。 p-n结结内内Ep型型n型型11

7、由于由于p-n结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑进势垒带来的能量应考虑进势垒带来的的附加势能附加势能。这使电子能带出现弯曲：这使电子能带出现弯曲：第一代电子材料：第一代电子材料：Si, Ge第二代电子材料：第二代电子材料：III-V族化合物GaAs, GaP, InP第三代电子材料：第三代电子材料：SiC, BN, GaN, AlN, ZnSe, 金刚石等宽带半导体宽带半导体。12二、超导特性二、超导特性 1 1、完全导电性、完全导电性2、完全抗磁性（反磁性）、完全抗磁性（反磁性） 在超导态下，超导体内没有磁力线通过，磁场强度恒为零，这在超导态下，超导体内没有磁力线通过，磁场强度恒为零，

8、这种现象称为超导体的种现象称为超导体的完全抗磁性完全抗磁性，或称或称迈斯纳效应迈斯纳效应。此时电流。此时电流只通过导体表面。只通过导体表面。 某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产生零电阻率和零电阻率和排斥磁场的能力排斥磁场的能力，这种现象被称为超导电性超导电性，该类材料称为超导体或超导材料。一、超导定义一、超导定义 13三、超导体的临界条件三、超导体的临界条件1 1、临界温度、临界温度 T TC C2、临界磁场强度、临界磁场强度 HC3、临界电流密度临界电流密度JC 在无外磁场条件下使超导体通电，当电流密度超过一在无外磁场条件下使超导体通电，当电流密度超过一定值后，定值后，超导体失去超导电性

9、而恢复正常态。超导体失去超导电性而恢复正常态。破坏超导态破坏超导态的最小电流密度称为的最小电流密度称为临界电流密度临界电流密度JC. 14常见的非线性光学现象：光学整流产生高次谐波光学混频受激拉曼散射自聚焦光致透明有机二阶NLO分子的设计原则： (1)分子不具有对称中心 (2)分子具有共轭的电子体系 (3)分子内存在电荷转移 (4)透明性和光学非线性性能15激光激光l英文名：英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 受激辐射的光放大受激辐射的光放大“镭射镭射”、“莱塞莱塞”l中文名：中文名：1964年按

10、照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受光受激发射激发射”改称改称“激光激光”“最快的刀最快的刀”“最准的尺最准的尺”“最亮的光最亮的光”奇异的激光奇异的激光小学五年级语文课文小学五年级语文课文16(b)：受激吸收 处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收(a)：自发辐射 处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；宏观表现：发光17(c)：受激辐射 处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大自发辐射与受激辐射的区

11、别：自发辐射与受激辐射的区别： 原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。18图4 粒子数的分布（a）正常分布 （b）反转分布 粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予受激

12、吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。 n3、粒子数反转、粒子数反转n要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图4。激光器的构成：激光器的构成：激光具有下列特点：激光具有下列特点：（1）相干性好相干性好。（2）单色性纯单色性纯。（3）方向性好方向性好。（4）亮度高亮度高。20 一个诱发光子不仅能引起受激辐

13、射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。激光物质是三能级或四能级结构激光物质是三能级或四能级结构 发散角小：1.方向性好：激光的特点及应用激光的特点及应用应用激光测距亮度高： 激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度

14、的特点。应用激光打孔应用激光核聚变例：下列哪个应用利用了激光方向性好的特点？212.单色性好：激光的特点及应用激光的特点及应用 计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。3.相干性好： 全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。其它应用激光医疗、美容整形221 1 极化极化 polarizationpolarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。2 2 自发极化自发极化 spontaneous polarizationspontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有

15、序排列而产生的极化，称为自发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2。3 3 介电常数介电常数 dielectric constantdielectric constant表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用表示，无量纲。基本概念基本概念23介电材料（电介质）介电材料（电介质）又称电介质，电极化为特征的材料，是电的绝缘材料。 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化电子极化； 分子中正、负离子相对位移造成的离子极化离子极化; 分子固有电偶极矩在外电场作用下转动导致的转向极化转向

16、极化。24这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般，电子极化存在于一切类型的固体物质中；离子极化主要存在于离子晶体中； 偶极极化主要存某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应” 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。压电现象压电现象压

17、电效应产生的条件压电效应产生的条件 晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。25热释电效应热释电效应热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷，这一效应称为热释电效应。 （热能转换为电能）（热能转换为电能）晶体中存在热释电效应的前提：具有自发极化晶体中存在热释电效应的前提：具有自发极化 一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合的方向。26铁电体定义铁电体定义铁电体

18、指在某温度范围内具有自发极化且极化轻度可以因外电场铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化轻度可以因外电场而反向的晶体。而反向的晶体。是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电体具有电滞回线，具有许多电畴。铁电体具有电滞回线，具有许多电畴。晶体的铁电性晶体的铁电性 在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电场强度的电场作用下，其取向

19、可以随电场改变，这种特性称为铁电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。 铁电体的共同特征：铁电体的共同特征：具有电滞回线；具有电滞回线；具有结构相变温度（居里具有结构相变温度（居里点）；点）；具有临界特性具有临界特性 铁电体重要的特征之一是电滞回线。铁电体重要的特征之一是电滞回线。271. 太阳能光伏电池定义太阳能光伏电池定义 太阳能光伏电池太阳能光伏电池太阳能太阳能 电能电能 光生伏打效应（光伏效应）：光生伏打效应（光伏效应）： 即某些材料（在气体、液即某些材料（在气体、液体和固体）吸收了光能之后具有产生电动势的效应。体和固体）吸收了光能之后具有产生电动势的效应。光伏效应光伏效应 p-n结及两边产生的结及两边产生的光生载流子光生载流子就被就被内建电场内建电场所所分离分离，在，在p区聚区聚集光生空穴，在集光生空穴，在n区聚集光生电子，使区聚集光生电子，使p区带正电，区带正电，n区带负电，在区带负电，在