第1章第1节理论基础新

1、1.1 理论基础理论基础 1.1.1 能带理论能带理论 1.1.2 光电发射效应光电发射效应 1.1.3 光电导效应光电导效应 1.1.4 光伏效应光伏效应 1.1.5 热释电效应热释电效应第一章：光电信息技术物理基础第一章：光电信息技术物理基础光学光学 OpticsOptics （古希腊）（古希腊） 以几何光学和物理光学为基础以几何光学和物理光学为基础 各种光学各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。光谱仪）。 以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以以光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、光与物

2、质相互作用为主要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。光探测器、新型光源）。电子学电子学 Electronics (1910Electronics (1910年年) ) 研究电子运动的各种物理过程和物理现研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。象并加以广泛利用的科学。 研究电波的振荡、传播，电信号的放大、研究电波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定，混合，检波等等变换，频率的稳定，混合，检波等等半半导体微电子学。导体微电子学。光电子学光电子学 OptoOpto-electronics (1955)-electronics (1955) 光学与电子学相结合的产物。将

3、电子光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。子学所不可能产生的许多新功能。 以前由电子方法实现的任务现在用光学以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成方法来完成 光电子技术。光电子技术。 光子学光子学 Photonics (1970)Photonics (1970) 关于光子的科学及其应用。描述光子关于光子的科学及其应用。描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、存储和探测理、存储和探测 ”

4、”。 激光激光光子时代的领衔主角。光子时代的领衔主角。本课程学什么？本课程学什么？介绍光电检测技术的物理基础、电光信息转介绍光电检测技术的物理基础、电光信息转换、光电信息转换和光电测控技术的应用。换、光电信息转换和光电测控技术的应用。原子核用能级表示电子绕核运动的运动状态E0基态1SE2激发态2PE1激发态2S1.1.1能带理论能带理论原子中电子的能级 能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运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。动的一种图象。导体,半导体,绝缘体的区别是什么？各有什么不同的用途？导体绝缘体和半导体能带有何异同? 半导体是什么意思? 导体的导电原理 什么是半导体

5、？ 什么叫半导体材料? 怎样知道一个物品是导体还是绝缘体? 半导体中的芯片是什么? 压敏性：压敏性：有的半导体在受到压力后电阻发生较大有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化的变化 用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，用途：制成压敏元件，接入电路，测出电流变化，以确定压力的变化以确定压力的变化 热敏性：热敏性：有的半导体在受热后电阻随温度升高而有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小迅速减小 用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温用途：制成热敏电阻，用来测量很小范围内的温度变化度变化 半导体的一些电学特性半导体的一些电学特性 价带导带禁带价带价带 ：能量最高的被价电子填满：能量最

6、高的被价电子填满的能带的能带导带：价带以上的能带基本上是导带：价带以上的能带基本上是空的空的, 其中能量最低的能带其中能量最低的能带禁带：价带与导带之间的区域禁带：价带与导带之间的区域能带理论能带理论晶体中原子的能带晶体中原子的能带1s2s2p3p3s原原子子能能级级1s2s2p3s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 钠原子的能级和结晶格中的能带之比较电子可以在某些整个能带内运动导体中的能带1s2s2p3s钠钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶晶体体能能带带满满 带带半半满满带带空空 带带3p考虑一种如图所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的

7、能级。结论：具有如图所示那样能带结构的物质应为良导体， 换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未 被完全填满的固体。又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2)金属能带1s2s2p3s钠钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 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导体内的能带价带内最上面的电子在外界电场的作用下，可产生集体运动！钠是良导体疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于良导体呢？ 6 ) 2s (1镁s2 2 2p 3s2 晶体能带sspsp未满带1223满 带半满带3能带重叠结论：实际上由于最

8、高能带可能发生重叠，镁的3S电子可分布在 3S和3P能带中，因此镁应为良导体。对有些物质，它们的 原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一 个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。半金属能带半金属能带1s2s2p3s镁镁 (1s2 2s2 2p6 3s2 ) 晶体能带晶体能带3s 电子可分布在电子可分布在 3s 和和 3p 能带中能带中满满 带带未满带未满带未满带未满带3p能带能带重叠重叠绝缘体的能带绝缘体的能带1s2s2p3s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 大大现在考虑这样一种物质，最高能带即价带是满的，而

9、且不与下一个全空的能带重叠,如图所示。结论：绝缘体最上面的价带是满的，同时和下一个空 带之间有几个电子伏特能隙的固体。绝缘体能带绝缘体能带1s2s2p3s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 图1.1.1-5 绝缘体半导体的能带半导体的能带价价 带带( (满满) )导导 带带( (空空) )半导体能带半导体能带能隙较小能隙较小注意：半导体的能带与绝缘体的能带很相似，只不过价带和导带 之间的能隙比绝缘体的要小得多。因此，半导体是一种绝 缘体，但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小。现在考虑这样一种物质，该物质的最

10、高能带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠。完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。体。含有缺陷和杂质的半导体称为非本征半导体。含有缺陷和杂质的半导体称为非本征半导体。半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。定的。半导体分类半导体分类实际上实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：性是由所含的杂质和缺陷决定的。因此半导体分为两类：本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体杂质半导体杂

11、质半导体N型半导体型半导体(掺有施主杂质原子，有额外的电子掺有施主杂质原子，有额外的电子)P型半导体型半导体(掺有受主杂质原子，有额外的空穴掺有受主杂质原子，有额外的空穴)1.1.2 光电发射效应光电发射效应物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应，这种现象多发生于金属和金属氧化物。典型光电器件：光电管、光电倍增管。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 光电导效应光电导效应 光伏效应光伏效应光电热效应光电热效应 光电子能谱（photoelectron spectroscopy），利用光电效应的原理测量单色辐射从样品上打出来的光电子的动能（并由此测定

12、其结合能）、光电子强度和这些电子的角分布，并应用这些信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子结构的技术。对固体而言，光电子能谱是一项表面灵敏的技术。虽然入射光子能穿入固体的深部，但只有固体表面下2030埃的一薄层中的光电子能逃逸出来（光子的非弹性散射平均自由程比电子的大1010倍）, 因此光电子反映的是固体表面的信息。 在光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的。典型应用典型应用一、外光电效应（光电发射效应）一、外光电效应（光电发射效应） 是是指物体受到光照后向外发射电子的现象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

13、律 当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和饱和光光电发射电发射电流电流 I IK K 与被与被阴极所吸收的光通量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。用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。 2、光电发射第二定律光电发射第二定律 发射出光电子的发射出光电子的最大动能随最大动能随入射光频率的入射光频率的增高而线性地增高而线性地增大，而与增大，而与入射光的入射光的光强无关。即光强无关。即光电子发射的能量关系光电子发

14、射的能量关系符合符合爱因斯坦方程：爱因斯坦方程： o2maxevm21hh h：普朗克恒量（普朗克恒量（6.6260556.6260550.00000400.00000401010-34-34J.sJ.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 vmaxmax: : 出射光电子的出射光电子的最大速率；最大速率；O:O: 光电阴极的光电阴极的逸出功。逸出功。oevmh2max21 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

15、度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限红限0 0 ，就就不会产生光电子发射。显然，在不会产生光电子发射。显然，在红限处红限处光电子的初速应光电子的初速应该为零，因此，金属的该为零，因此，金属的红限为红限为h /00h /004 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。实验证光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。实验证明，光电发射的延迟时间不超过明，光电发射的延迟时间不超过3 31010-13-13 s s 的数量级。因此的数量级。因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光外光电实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光外光电效

16、应器件具有很高的频率响应。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光电发射瞬时性的原因是由于它不牵涉到电子在原子内电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程。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光电发射不仅发生在物体的表面层，而且还深入到阴极层，而且还深入到阴极材料的深层，通常称为材料的深层，通常称为光电发射光电发射的体积效应。而前者则称为的体积效应。而前者则称为光电发射光电发射的的表面表面效应。效应。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