第一章光電效應(yīng)

1、課程名稱：物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用課程簡介課程簡介、物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許許多多物理效應(yīng)，這些效應(yīng)在科物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許許多多物理效應(yīng)，這些效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮出極大效益，派生出各種高新技術(shù)。學(xué)技術(shù)中發(fā)揮出極大效益，派生出各種高新技術(shù)。、利用同學(xué)們已學(xué)習(xí)過的許多物理學(xué)基礎(chǔ)知識，結(jié)合力、利用同學(xué)們已學(xué)習(xí)過的許多物理學(xué)基礎(chǔ)知識，結(jié)合力、熱、電、光、磁、低溫、輻射、核物理等物理效應(yīng)，以熱、電、光、磁、低溫、輻射、核物理等物理效應(yīng)，以及相互之間物理特性的轉(zhuǎn)變，理解各種經(jīng)典和現(xiàn)代物理及相互之間物理特性的轉(zhuǎn)變，理解各種經(jīng)典和現(xiàn)代物理效應(yīng)的機理。效應(yīng)的機理。、根據(jù)原子結(jié)構(gòu)

2、特點、載流子特性、原子能帶理論，特、根據(jù)原子結(jié)構(gòu)特點、載流子特性、原子能帶理論，特別是量子理論分析、解釋各種物理效應(yīng)。盡可能了解現(xiàn)別是量子理論分析、解釋各種物理效應(yīng)。盡可能了解現(xiàn)代物理效應(yīng)的應(yīng)用背景代物理效應(yīng)的應(yīng)用背景、后續(xù)傳感器技術(shù)課程的基礎(chǔ)。、后續(xù)傳感器技術(shù)課程的基礎(chǔ)。 參考書：參考書： 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用，陳宜生，周佩瑤，馮艷全，陳宜生，周佩瑤，馮艷全，天津大學(xué)出版社。天津大學(xué)出版社。第一章光電效應(yīng)第一章光電效應(yīng) 光電效應(yīng)：光照射到某些物質(zhì)上，引起物 質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。光具有波粒二相性：光具有波粒二相性：在與物質(zhì)相互作用時，會更明在與物質(zhì)相互作用時，會更明顯地表露出

3、它的粒子（即光子特性）特征：顯地表露出它的粒子（即光子特性）特征：光電效應(yīng)的本質(zhì)是光子與電子相互作用的結(jié)果光電效應(yīng)的本質(zhì)是光子與電子相互作用的結(jié)果。光子光子具有一定光譜頻率并以普朗克常數(shù)為能量單具有一定光譜頻率并以普朗克常數(shù)為能量單元，對外作用時表現(xiàn)為或被吸收元，對外作用時表現(xiàn)為或被吸收,或改變頻率和方向或改變頻率和方向；電子電子帶電粒子的最小單元。在與外界作用時，能帶電粒子的最小單元。在與外界作用時，能量和狀態(tài)發(fā)生變化量和狀態(tài)發(fā)生變化,從束縛于局域狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自從束縛于局域狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自由的狀態(tài)，導(dǎo)致物質(zhì)電特性的變化。由的狀態(tài)，導(dǎo)致物質(zhì)電特性的變化。光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)光電效應(yīng)分為：

4、外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)第一節(jié)外光電效應(yīng)第一節(jié)外光電效應(yīng) 年德國物理學(xué)家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)了年德國物理學(xué)家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)了一個奇妙的現(xiàn)象：一個奇妙的現(xiàn)象：當(dāng)用紫外光照射它的裝置時，當(dāng)用紫外光照射它的裝置時，電極之間發(fā)生火花要容易一些電極之間發(fā)生火花要容易一些。 一年后，霍耳瓦克斯（一年后，霍耳瓦克斯（H.Hallwachs）證明：）證明：上述現(xiàn)象是由于上述現(xiàn)象是由于出現(xiàn)了帶電粒子的緣故出現(xiàn)了帶電粒子的緣故。后來。后來人們證實了這種粒子就是人們證實了這種粒子就是電子電子。外光電效應(yīng)由于光照射固體材料從表外光電效應(yīng)由于光照射固體材料從表面激發(fā)出電子的現(xiàn)象面激發(fā)出電子的現(xiàn)象(或光電發(fā)射效應(yīng)）

5、或光電發(fā)射效應(yīng)）光電子由光的作用激發(fā)出的電子光電子由光的作用激發(fā)出的電子。第一節(jié)外光電效應(yīng)第一節(jié)外光電效應(yīng) 將兩個金屬電極安裝在抽成真將兩個金屬電極安裝在抽成真空的玻璃罩中，兩個電極之間空的玻璃罩中，兩個電極之間串聯(lián)上直流電源和靈敏電流計串聯(lián)上直流電源和靈敏電流計。當(dāng)無光照射時，玻璃罩內(nèi)。當(dāng)無光照射時，玻璃罩內(nèi)陰極和陽極之間的空間無陰極和陽極之間的空間無載流子（即自由正負(fù)電荷），載流子（即自由正負(fù)電荷），如果不考慮暗電流，電阻為無如果不考慮暗電流，電阻為無窮大，沒有電流流過。窮大，沒有電流流過。一、單電子光電效應(yīng)一、單電子光電效應(yīng)圖外光電效應(yīng)觀察裝置當(dāng)有光照射陰極時，就有光電子從陰極飛當(dāng)有光照

6、射陰極時，就有光電子從陰極飛出，在電壓作用下，飛向陽極，檢流計中便出，在電壓作用下，飛向陽極，檢流計中便有穩(wěn)定的電流通過。有穩(wěn)定的電流通過。年，赫茲的助手勒納德年，赫茲的助手勒納德利用各種頻率和強度的光，對光電效應(yīng)進行了系利用各種頻率和強度的光，對光電效應(yīng)進行了系統(tǒng)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了統(tǒng)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了三條實驗規(guī)律三條實驗規(guī)律：、當(dāng)一定頻率的光照射金屬陰極，在陰極與陽極、當(dāng)一定頻率的光照射金屬陰極，在陰極與陽極之間有足夠的加速電壓，光電流正比于光強。之間有足夠的加速電壓，光電流正比于光強。、每一種金屬各自存在一個足以發(fā)生外光電效應(yīng)、每一種金屬各自存在一個足以發(fā)生外光電效應(yīng)的最低頻率的最低頻率

7、(紅限頻率紅限頻率),當(dāng)照射光的頻率當(dāng)照射光的頻率 時時，不會逸出光電子；當(dāng)入射光的頻率不會逸出光電子；當(dāng)入射光的頻率 ,不管光多么弱都會立刻發(fā)射光電子，不存在時不管光多么弱都會立刻發(fā)射光電子，不存在時間滯后。間滯后。、光電子從金屬表面剛逸出時最大初動能、光電子從金屬表面剛逸出時最大初動能1 / 2 m，與光的頻率有線性關(guān)系，與入射光，與光的頻率有線性關(guān)系，與入射光的強度無關(guān)。的強度無關(guān)。愛恩斯坦提出的光量子（光子）假說愛恩斯坦提出的光量子（光子）假說 ：“在我看來，如果假定光的能量不連續(xù)分布于空間的話，那么，我們就可以更好地理解黑體輻射、光致發(fā)光、紫外線產(chǎn)生陰極射線以及其它涉及光的發(fā)射與轉(zhuǎn)換

8、的現(xiàn)象的結(jié)果。根據(jù)這種假設(shè)，從一點發(fā)出的光線傳播時，在不斷擴大的空間范圍內(nèi)能量不是連續(xù)分布的，而是一個數(shù)目有限地局限于空間中的能量量子所組成，他們在運動中并不分解，并且只能整個地被吸收或發(fā)射。”外光電效應(yīng)方程（又稱著名的愛恩斯坦方程）：h = 1 / 2 m 02+ （）（）其中：為金屬逸出功函數(shù)。這個方程成功地解釋了外光電效應(yīng)的實驗規(guī)律和形成機理。愛恩斯坦認(rèn)為：一束頻率為愛恩斯坦認(rèn)為：一束頻率為 的光可以視為一束單個的光可以視為一束單個粒子，能量為粒子，能量為h 的光子流，的光子流，h為普朗克常數(shù)。在光與物為普朗克常數(shù)。在光與物質(zhì)相互作用時，就是這些光子與物質(zhì)微粒之間的事情了。質(zhì)相互作用時，

9、就是這些光子與物質(zhì)微粒之間的事情了。逸出功：逸出功：自由電子逃逸出金自由電子逃逸出金屬表面所需的最小能量屬表面所需的最小能量,需要需要對電子所作的最小的功。對電子所作的最小的功。飛來的光子是一個個能量為飛來的光子是一個個能量為h 的小能量包，當(dāng)它與電子碰撞并為的小能量包，當(dāng)它與電子碰撞并為電子所吸收時，電子獲得光子的能電子所吸收時，電子獲得光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，量，一部分用于克服金屬的束縛，開銷于逸出功，余下的能量便轉(zhuǎn)成開銷于逸出功，余下的能量便轉(zhuǎn)成了外逸光電子的初動能了外逸光電子的初動能m 02。既然光子與電子之間的相互作用是既然光子與電子之間的相互作用是一一對應(yīng)的，光電子瞬

10、息即發(fā)也就一一對應(yīng)的，光電子瞬息即發(fā)也就順理成章。這也是外光電效應(yīng)存在順理成章。這也是外光電效應(yīng)存在紅限頻率紅限頻率 0的道理所作，不同的金的道理所作，不同的金屬逸出功不同，紅限頻率也就不同屬逸出功不同，紅限頻率也就不同. （b）0金屬 真空（a）Ef圖（）能量“勢阱”( b ) 光電子初動能與光頻率關(guān)系圖圖(b) 直觀地表示光電子直觀地表示光電子的初動能與光的頻率成直線的初動能與光的頻率成直線關(guān)系，直線與頻率軸的交點關(guān)系，直線與頻率軸的交點對應(yīng)紅限頻率，直線的斜率對應(yīng)紅限頻率，直線的斜率是普朗克常數(shù)。密立根花是普朗克常數(shù)。密立根花了年的時間，驗證了愛了年的時間，驗證了愛恩斯坦方程，并準(zhǔn)確地測

11、出恩斯坦方程，并準(zhǔn)確地測出了普朗克常數(shù)，宣告光子的了普朗克常數(shù)，宣告光子的存在是無可置疑的。存在是無可置疑的。應(yīng)用實例：光電倍增管應(yīng)用實例：光電倍增管 陰極光第陰極第陰極第陰極第陰極陽極圖光電倍增管當(dāng)光照射在光電陰極上時，發(fā)射的光電子在電場作用下，經(jīng)加速后轟擊第一陽極。一個入射電子將從次陰極轟擊出多個次極電子，這稱為二次電子發(fā)射效應(yīng)。次極電子又經(jīng)過電場加速，轟擊下一個陰極，產(chǎn)生更多的次極電子。如此繼續(xù)下去，最終可使電流放大倍以上到達(dá)陽極。二、多電子光電效應(yīng)二、多電子光電效應(yīng) 年等人用激光作光電發(fā)射實驗時，發(fā)現(xiàn)了與愛恩斯坦方程偏離的奇異光發(fā)射。年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的1.4

12、8eV的光子照射逸出功的鈉時，發(fā)現(xiàn)光電流與光強的平方成正比。于是，人們設(shè)想光子之間進行了“合作”，兩個光子同時被電子吸收，得以越過表面勢壘，該種現(xiàn)象稱為雙光子光電發(fā)射。后來，進一步的實驗表明，可以三個、多個、甚至個光子同時被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多電子光電發(fā)射。人們推斷：n個光電子發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強的次方成正比。第二節(jié)第二節(jié) 光光 電電 導(dǎo)導(dǎo) 效效 應(yīng)應(yīng) 物質(zhì)被光照射時無電子發(fā)射，但電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。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)。 （光電導(dǎo)效應(yīng)在光電子技術(shù)課程中細(xì)述）。第三節(jié)第三節(jié) 光光 生生 伏伏 特特 效效 應(yīng)應(yīng) 光生伏特效應(yīng)：光生伏

13、特效應(yīng)： 半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 光電導(dǎo)效應(yīng)是以光作為動力，使束縛電子成為光電導(dǎo)效應(yīng)是以光作為動力，使束縛電子成為自由電子，形成電子空穴對，從而改變了材自由電子，形成電子空穴對，從而改變了材料的載流子濃度，導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化。料的載流子濃度，導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化。要在光的照射下產(chǎn)生電動勢，還需要一種將正、要在光的照射下產(chǎn)生電動勢，還需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離開來的機制。負(fù)載流子在空間上分離開來的機制。根據(jù)產(chǎn)生電位差時載流子分離機理的不同，光生伏特效應(yīng)又分為丹倍（丹倍（Dember）效應(yīng)）效應(yīng),光磁電效光磁電效應(yīng)和應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)結(jié)光生伏特效

14、應(yīng)等情形。一、丹倍效應(yīng)一、丹倍效應(yīng) ExVxJ擴d(a)(b)(c)圖丹倍效應(yīng)dxh一束頻率足夠高的一束頻率足夠高的光照射在一塊均勻半導(dǎo)光照射在一塊均勻半導(dǎo)體樣品的表面，會產(chǎn)生體樣品的表面，會產(chǎn)生大量電子空穴對，表大量電子空穴對，表面層內(nèi)就有了非平衡的面層內(nèi)就有了非平衡的載流子載流子 n= p這樣，就這樣，就造成了由表面指向體內(nèi)造成了由表面指向體內(nèi)的濃度梯度的濃度梯度。 按擴散定律，電子和空穴形成的擴散電流密度分別為：按擴散定律，電子和空穴形成的擴散電流密度分別為： （）（） （ ）/ （ ）/總擴散電流密度為：總擴散電流密度為：擴擴（）（）（ ）/事實上電子和空穴的擴散系數(shù)不同，一般，電子擴

15、散的比空穴快，總擴散電流將沿負(fù)方向，引起電荷局部積累而打破電中性狀態(tài)，使光照一面帶正電。形成了沿方向的電場，這電場又引起載流子沿方向的漂移運動，形成漂移電流：J漂漂（p）這電流和總擴散電流方向相反，于是總的電流密度擴擴漂漂（p）（p）（）（ p）/達(dá)到穩(wěn)定后，電流密度，從而半導(dǎo)體中的電場：（p）/（p）（ p）/在半導(dǎo)體中，載流子的擴散系數(shù)與遷移率的比滿足愛恩斯坦關(guān)系 : /=kT/e （ p） ()ep dx （ p）（ p）（）（） 由于光生非平衡載流子擴散速度的差異，直接引起了光照由于光生非平衡載流子擴散速度的差異，直接引起了光照方向的電場和電位差，被稱為丹倍效應(yīng)。方向的電場和電位差，被

16、稱為丹倍效應(yīng)。二、光磁電效應(yīng)二、光磁電效應(yīng) 如果在垂直光照方向施加一磁場，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)端面間產(chǎn)生電位差，這效應(yīng)稱為光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng)。 光磁電效應(yīng)的機理：光磁電效應(yīng)的機理：光在樣品表面產(chǎn)生了非平衡載流子濃度光在樣品表面產(chǎn)生了非平衡載流子濃度如圖（）所示，濃度梯度使載流子出現(xiàn)了定向擴散速如圖（）所示，濃度梯度使載流子出現(xiàn)了定向擴散速度（方向），磁場作用在載流子上的洛侖茲力，使正負(fù)載流子分度（方向），磁場作用在載流子上的洛侖茲力，使正負(fù)載流子分離圖（），在兩個端面的電荷積累形成電位差離圖（），在兩個端面的電荷積累形成電位差圖（）和橫向電場。當(dāng)作用在載流子上的洛侖茲圖（）和橫向電場。當(dāng)作用在載

17、流子上的洛侖茲力與作用的電場力平衡時，電位差維持一個穩(wěn)定值。力與作用的電場力平衡時，電位差維持一個穩(wěn)定值。 光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng)類似，但它與具有兩種載流子的半導(dǎo)體中光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng)類似，但它與具有兩種載流子的半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)有所不同。在霍爾效應(yīng)中，載流子的定向運動是外加電場的霍爾效應(yīng)有所不同。在霍爾效應(yīng)中，載流子的定向運動是外加電場引起的。兩種載流子的運動方向相反，二者形成的電流方向相同。而引起的。兩種載流子的運動方向相反，二者形成的電流方向相同。而在光磁電效應(yīng)中，定向運動是擴散引起的。兩種載流子擴散方向相同，在光磁電效應(yīng)中，定向運動是擴散引起的。兩種載流子擴散方向相同，二者形成的電流方

18、向相反。在垂直磁場作用下，如圖（）所二者形成的電流方向相反。在垂直磁場作用下，如圖（）所示，向相反方向偏轉(zhuǎn)，效果是相互加強的。示，向相反方向偏轉(zhuǎn)，效果是相互加強的。圖光磁電效應(yīng)Bz hBzldbhyxzEyl Vy (a)(b)(c)FL對于厚度為的型半導(dǎo)體，光磁電效應(yīng)在端面間的開路電壓為：對于厚度為的型半導(dǎo)體，光磁電效應(yīng)在端面間的開路電壓為： L（） （）式中式中（）是表面處的非平衡空穴濃度。如果橫向兩端短路連接形是表面處的非平衡空穴濃度。如果橫向兩端短路連接形成的短路電流為：成的短路電流為： （）（）（）光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng) 表面處的非平衡載流子濃度（表面處的非平衡載流子濃度（) )0 0

19、與載流子壽命與載流子壽命有關(guān)，光磁電效應(yīng)有時被用來測量半導(dǎo)體中載流子壽命，特有關(guān)，光磁電效應(yīng)有時被用來測量半導(dǎo)體中載流子壽命，特別是短壽命的測量。別是短壽命的測量。在光磁電效應(yīng)中，如果外加磁場不垂直于軸，而是斜在光磁電效應(yīng)中，如果外加磁場不垂直于軸，而是斜置于平面，則磁場的分量，將與樣品內(nèi)流動的開路置于平面，則磁場的分量，將與樣品內(nèi)流動的開路電流相互作用，從而引起轉(zhuǎn)矩，這現(xiàn)象稱為光學(xué)機械效應(yīng)。電流相互作用，從而引起轉(zhuǎn)矩，這現(xiàn)象稱為光學(xué)機械效應(yīng)。、等許多半導(dǎo)體、等許多半導(dǎo)體材料都可呈現(xiàn)較明顯的光磁電效應(yīng)。利用具有這種效應(yīng)的材材料都可呈現(xiàn)較明顯的光磁電效應(yīng)。利用具有這種效應(yīng)的材料。可以制造半導(dǎo)體紅

20、外探測器。料。可以制造半導(dǎo)體紅外探測器。 ccPNh圖光電池當(dāng)光照射在距表當(dāng)光照射在距表面很近的結(jié)時，面很近的結(jié)時，便會在結(jié)上產(chǎn)生便會在結(jié)上產(chǎn)生電動勢，這被稱為電動勢，這被稱為結(jié)光生伏特效應(yīng)。結(jié)光生伏特效應(yīng)。1839年法國人貝克勒（年法國人貝克勒（Edmond Becqural）在研究電）在研究電解質(zhì)電池時，觀察到光照射到電池的一個電極時，解質(zhì)電池時，觀察到光照射到電池的一個電極時，電池的電動勢有所提高。這就是最早發(fā)現(xiàn)的光生伏電池的電動勢有所提高。這就是最早發(fā)現(xiàn)的光生伏特效應(yīng)，直到特效應(yīng)，直到1876年年Adams和和Day利用光生伏特效應(yīng)利用光生伏特效應(yīng)制造出了硒光電池制造出了硒光電池。三、

21、結(jié)光生伏特效應(yīng)三、結(jié)光生伏特效應(yīng) +-E內(nèi) 阻擋層（）電勢能對電子對空穴（）在光未照射時，由于型、型材在光未照射時，由于型、型材料內(nèi)部存在空穴、電子濃度差，導(dǎo)料內(nèi)部存在空穴、電子濃度差，導(dǎo)致相互擴散。致相互擴散。在兩區(qū)接界處形成了空間電荷層及在兩區(qū)接界處形成了空間電荷層及相應(yīng)存在的由區(qū)指向區(qū)的內(nèi)建相應(yīng)存在的由區(qū)指向區(qū)的內(nèi)建電場，阻止兩邊不同的載流子的擴電場，阻止兩邊不同的載流子的擴散。散。從能量角度看，結(jié)處形成了一從能量角度看，結(jié)處形成了一個勢壘，圖個勢壘，圖1-8(b)。因此區(qū)內(nèi)的電。因此區(qū)內(nèi)的電子和區(qū)內(nèi)的空穴要想從一個區(qū)域子和區(qū)內(nèi)的空穴要想從一個區(qū)域進入極性相反的另一個區(qū)域都需要進入極性相

22、反的另一個區(qū)域都需要提供能量。提供能量。阻擋層內(nèi)內(nèi) （） Ln Lp 復(fù)合電離導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價帶價帶電子能量電子能量（）圖結(jié)光生伏特效應(yīng)光照射時，光子可進入?yún)^(qū)，結(jié)區(qū)光照射時，光子可進入?yún)^(qū)，結(jié)區(qū)和區(qū)。在這三個區(qū)域光子被吸收產(chǎn)和區(qū)。在這三個區(qū)域光子被吸收產(chǎn)生電子空穴對。圖生電子空穴對。圖1-8(c)、(d)同時同時也存在電子與空穴的復(fù)合過程。在每也存在電子與空穴的復(fù)合過程。在每個區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起個區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起主要作用，主要作用， 區(qū)：區(qū)：少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產(chǎn)生的光生電子離少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產(chǎn)生的光生電子離結(jié)區(qū)的距離小于電子的擴散長度結(jié)區(qū)

23、的距離小于電子的擴散長度（指光生電子從產(chǎn)生到與空（指光生電子從產(chǎn)生到與空穴復(fù)合的時間內(nèi)移動的平均距離）穴復(fù)合的時間內(nèi)移動的平均距離），便可靠擴散從區(qū)進入到結(jié)區(qū)，便可靠擴散從區(qū)進入到結(jié)區(qū)而被內(nèi)建電場而被內(nèi)建電場內(nèi)內(nèi)加速趨向區(qū)；加速趨向區(qū)；區(qū)：區(qū)：空穴是少數(shù)載流子，只要光生空穴離結(jié)區(qū)距離小于空空穴是少數(shù)載流子，只要光生空穴離結(jié)區(qū)距離小于空穴的擴散長度穴的擴散長度，便可靠擴散進入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場加速，便可靠擴散進入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場加速趨向區(qū)；趨向區(qū)；結(jié)區(qū)：結(jié)區(qū)：產(chǎn)生的光生電子空穴對，被產(chǎn)生的光生電子空穴對，被內(nèi)建電場加速并分離到結(jié)的兩邊內(nèi)建電場加速并分離到結(jié)的兩邊。阻擋層內(nèi)內(nèi) （） Ln Lp 復(fù)合

24、電離導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶禁帶價帶價帶電子能量電子能量（）圖結(jié)光生伏特效應(yīng)在三個區(qū)域都是光子產(chǎn)生電子空穴對，在三個區(qū)域都是光子產(chǎn)生電子空穴對，靠擴散和內(nèi)建電場實現(xiàn)正負(fù)電荷的分離，靠擴散和內(nèi)建電場實現(xiàn)正負(fù)電荷的分離，使電荷積累到結(jié)的兩邊，型側(cè)帶正使電荷積累到結(jié)的兩邊，型側(cè)帶正電，型側(cè)帶負(fù)電，從而建立一個與原內(nèi)電，型側(cè)帶負(fù)電，從而建立一個與原內(nèi)建電位差相反的電位差建電位差相反的電位差L，稱為，稱為光生電位光生電位差差。在建立光生電位差的過程中，載流子移動在建立光生電位差的過程中，載流子移動形成的電流稱為形成的電流稱為光生電流光生電流L 光生電位差對結(jié)來說，相當(dāng)于加上了一光生電位差對結(jié)來說，相當(dāng)于加上了一個正

25、向電壓，會產(chǎn)生一個正向電流，方向個正向電壓，會產(chǎn)生一個正向電流，方向與光生電流與光生電流方向相反，當(dāng)這兩個相反電流方向相反，當(dāng)這兩個相反電流互相抵消時，在結(jié)上建立起穩(wěn)定的光生電互相抵消時，在結(jié)上建立起穩(wěn)定的光生電位差位差oc在光的照射下，結(jié)形成了一個能產(chǎn)生電動在光的照射下，結(jié)形成了一個能產(chǎn)生電動勢的電源，構(gòu)成一個電池，即光電池勢的電源，構(gòu)成一個電池，即光電池。利用結(jié)的光敏特性，除了制作光電池外，利用結(jié)的光敏特性，除了制作光電池外，還可以制成各種光敏二極管、光敏三極管等元還可以制成各種光敏二極管、光敏三極管等元器件，廣泛用于自動控制和傳感技術(shù)中。器件，廣泛用于自動控制和傳感技術(shù)中。、光敏二極管（

26、）、光敏二極管（） 硅光敏二極管，硅光敏二極管，為光生電流為光生電流，為結(jié)動態(tài)電阻為結(jié)動態(tài)電阻，為結(jié)電容為結(jié)電容，為串聯(lián)電阻為串聯(lián)電阻。光敏二極管的動態(tài)電阻隨結(jié)電壓變化很大，結(jié)電光敏二極管的動態(tài)電阻隨結(jié)電壓變化很大，結(jié)電容容與負(fù)載電阻與負(fù)載電阻構(gòu)成時間常數(shù)構(gòu)成時間常數(shù)限制限制光敏二極管的響應(yīng)速度光敏二極管的響應(yīng)速度。光敏二極管有三種工作方式：光敏二極管有三種工作方式： ）光電導(dǎo)方式：光電導(dǎo)方式：工作方式是在結(jié)外工作方式是在結(jié)外加反向偏置電壓；動態(tài)電阻加反向偏置電壓；動態(tài)電阻大，負(fù)載電大，負(fù)載電阻可根據(jù)需求選擇；阻可根據(jù)需求選擇；）光伏短路方式：光伏短路方式：光敏二極管無需偏置電光敏二極管無需偏

27、置電壓壓 ；輸出不含暗電流，線性范圍；輸出不含暗電流，線性范圍寬，適于弱光檢測；寬，適于弱光檢測；）光伏開路方式：光伏開路方式：如圖所示，光如圖所示，光敏二極管工作時，要求負(fù)載電阻敏二極管工作時，要求負(fù)載電阻，其輸出電壓為圖示的斷路電壓。（對數(shù)關(guān)系，其輸出電壓為圖示的斷路電壓。（對數(shù)關(guān)系，響應(yīng)慢）。響應(yīng)慢）。 輸出圖光電轉(zhuǎn)換電路（）電路符號（）等效電路圖光敏二極管、光敏三極管、光敏三極管 光敏三級管具有放大功能，可以獲得比光敏二極管大的多光敏三級管具有放大功能，可以獲得比光敏二極管大的多的光電流，它有無基極引線和有基極引線兩種類型。有基極的光電流，它有無基極引線和有基極引線兩種類型。有基極引線

28、的光敏三級管可通過改變基極偏置電壓來調(diào)制工作點進引線的光敏三級管可通過改變基極偏置電壓來調(diào)制工作點進入線性區(qū)，并能減少發(fā)射極電阻，以改善弱光條件下的頻率入線性區(qū)，并能減少發(fā)射極電阻，以改善弱光條件下的頻率特性。特性。光敏三級管光敏三級管:以集電結(jié)為光敏二極管，靠光注入載以集電結(jié)為光敏二極管，靠光注入載流子在其上產(chǎn)生的光電流加以放大，流子在其上產(chǎn)生的光電流加以放大，于集電極回路輸出。于集電極回路輸出。光敏三級管的光電流（集電極電流光敏三級管的光電流（集電極電流）與集電極電壓的曲線類似于半導(dǎo)）與集電極電壓的曲線類似于半導(dǎo)體三極管，只需將半導(dǎo)體三極管的基體三極管，只需將半導(dǎo)體三極管的基極電流參數(shù)換成

29、光強參數(shù)即可。極電流參數(shù)換成光強參數(shù)即可。發(fā)射極基極集電極光敏三極管的應(yīng)用：光敏三極管的應(yīng)用：光敏三級管輸出信號大，在自動控制光敏三級管輸出信號大，在自動控制和測量中有許多應(yīng)用，而且還能與發(fā)和測量中有許多應(yīng)用，而且還能與發(fā)光二極管一起構(gòu)成復(fù)合型光電光二極管一起構(gòu)成復(fù)合型光電器件、如光敏物位傳感器、光電耦合器件、如光敏物位傳感器、光電耦合器等。器等。圖表示了遮光式圖（）、圖表示了遮光式圖（）、（）和反光式圖（）（）（）和反光式圖（）（） 物位傳感器的示意結(jié)構(gòu)和電路符號。物位傳感器的示意結(jié)構(gòu)和電路符號。物位傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和電氣控制方物位傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和電氣控制方面有廣泛應(yīng)用，如在計算機磁盤驅(qū)動

30、面有廣泛應(yīng)用，如在計算機磁盤驅(qū)動器中的寫保護、磁道檢測，對軟器中的寫保護、磁道檢測，對軟盤索引的檢測都用到光電物位傳感器。盤索引的檢測都用到光電物位傳感器。產(chǎn)品自動計數(shù)、包裹自動分理、信件產(chǎn)品自動計數(shù)、包裹自動分理、信件郵編自動識別、自動生產(chǎn)線物位測量郵編自動識別、自動生產(chǎn)線物位測量與控制、光電編碼器、光電測速傳感與控制、光電編碼器、光電測速傳感器、光電隔離器、家用電器等方面，器、光電隔離器、家用電器等方面，都可見到光敏物位傳感器的應(yīng)用。都可見到光敏物位傳感器的應(yīng)用。光敏三極管被測物（）（）光敏三極管反光物（）（）（）（）（）（）圖 光電物位傳感器、光敏二極管、光敏二極管 為了提高光敏二極管的

31、響應(yīng)速為了提高光敏二極管的響應(yīng)速度，應(yīng)減少結(jié)的結(jié)電容度，應(yīng)減少結(jié)的結(jié)電容在結(jié)之間設(shè)置一個高電阻率在結(jié)之間設(shè)置一個高電阻率的層能達(dá)到這一目的。如圖的層能達(dá)到這一目的。如圖1-12所示，在型硅片上制作一層所示，在型硅片上制作一層含雜質(zhì)少的高組層，而在該層上含雜質(zhì)少的高組層，而在該層上形成薄的層。入射的光由很薄形成薄的層。入射的光由很薄的層照射到較厚的層，大部的層照射到較厚的層，大部分光被層吸收，激起光生載流分光被層吸收，激起光生載流子形成光電流。這使光敏子形成光電流。這使光敏二極管能有高的轉(zhuǎn)換效率。二極管能有高的轉(zhuǎn)換效率。電極輸出信號反偏壓電極PIN圖光敏二極管另外，工作時光敏管加有較高的反向偏置

32、電壓，使結(jié)另外，工作時光敏管加有較高的反向偏置電壓，使結(jié)的阻擋層加寬，也大大加強了阻擋層中光生載流子的加速電場（約的阻擋層加寬，也大大加強了阻擋層中光生載流子的加速電場（約），大幅度減少了載流子在結(jié)內(nèi)的漂移時間，從而），大幅度減少了載流子在結(jié)內(nèi)的漂移時間，從而響應(yīng)速度大為提高。光敏二極管具有響應(yīng)速度快（響應(yīng)速度大為提高。光敏二極管具有響應(yīng)速度快（s以下）、靈敏度高、線性較好三大優(yōu)點，可用于光存儲器讀出裝置、以下）、靈敏度高、線性較好三大優(yōu)點，可用于光存儲器讀出裝置、遙控裝置、伺服跟蹤信號檢測器、光通信等方面。遙控裝置、伺服跟蹤信號檢測器、光通信等方面。、雪崩光敏二極管（）、雪崩光敏二極管（）

33、雪崩光敏二極管是為提高光探測器靈敏度所作的努力，如果雪崩光敏二極管是為提高光探測器靈敏度所作的努力，如果把一般光敏二極管比作真空管，那么雪崩光敏二極管就好似把一般光敏二極管比作真空管，那么雪崩光敏二極管就好似真空光電倍增管。真空光電倍增管。雪崩光敏二極管的基片材料目前多采用硅和鍺。其結(jié)構(gòu)是在雪崩光敏二極管的基片材料目前多采用硅和鍺。其結(jié)構(gòu)是在型基片上制作層，再在上面配置高摻雜濃度的薄型基片上制作層，再在上面配置高摻雜濃度的薄層。層。光線通過光線通過層，進入層，產(chǎn)生光生載流子。層，進入層，產(chǎn)生光生載流子。由于結(jié)上加有近于擊穿電壓的反向偏置電壓，致使區(qū)由于結(jié)上加有近于擊穿電壓的反向偏置電壓，致使區(qū)

34、存在很強的電場存在很強的電場（約（約），區(qū)的光生載流子被急，區(qū)的光生載流子被急劇加速，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料禁帶寬度，從而引起碰撞電離，劇加速，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料禁帶寬度，從而引起碰撞電離，產(chǎn)生新的載流子。這些新生載流子又被加速，又產(chǎn)生更多新產(chǎn)生新的載流子。這些新生載流子又被加速，又產(chǎn)生更多新的載流子。這一鏈?zhǔn)竭^程使載流子數(shù)目雪崩式地急劇增長。的載流子。這一鏈?zhǔn)竭^程使載流子數(shù)目雪崩式地急劇增長。這種光電流的內(nèi)部放大機制使這種光電流的內(nèi)部放大機制使雪崩光敏二極管具有很高的靈敏度。雪崩光敏二極管具有很高的靈敏度。由于這種光敏元件靈敏度高，響應(yīng)快，被用于光纖通訊的受光裝置和光由于這種光敏元件靈敏度高，響應(yīng)快

35、，被用于光纖通訊的受光裝置和光磁盤的受光裝置來處理弱光信號。用反向偏置的結(jié)除了形成上面一磁盤的受光裝置來處理弱光信號。用反向偏置的結(jié)除了形成上面一些光敏器件外，還可以作成光控閘流管、色敏器件等。些光敏器件外，還可以作成光控閘流管、色敏器件等。四、貝克勒（）效應(yīng)四、貝克勒（）效應(yīng) 將兩個同樣的電極浸在電解液將兩個同樣的電極浸在電解液中。讓其中的一個被光照射，中。讓其中的一個被光照射，那么，在兩個電極間將產(chǎn)生電那么，在兩個電極間將產(chǎn)生電位差，這稱為貝克勒效應(yīng)。位差，這稱為貝克勒效應(yīng)。如圖（）所示如圖（）所示最近，為了制造出廉價的太陽能電池，科學(xué)家想模仿葉綠素的光合作最近，為了制造出廉價的太陽能電池

36、，科學(xué)家想模仿葉綠素的光合作用。如圖所示，兩個電極與電解質(zhì)溶液接觸。其中的一個透用。如圖所示，兩個電極與電解質(zhì)溶液接觸。其中的一個透明電極上覆蓋著一層二氧化鈦粒子，再在其上覆蓋一層特制的釕基燃明電極上覆蓋著一層二氧化鈦粒子，再在其上覆蓋一層特制的釕基燃料，這種染料有類似葉綠素的性質(zhì)。光敏染料分子象小型天線那樣吸料，這種染料有類似葉綠素的性質(zhì)。光敏染料分子象小型天線那樣吸收入射光子，將電釋放給下面的二氧化鈦。這些電子經(jīng)過透明電極、收入射光子，將電釋放給下面的二氧化鈦。這些電子經(jīng)過透明電極、外電路、電解質(zhì)再返回染料。將化學(xué)電池、光伏特效應(yīng)結(jié)合起來可能外電路、電解質(zhì)再返回染料。將化學(xué)電池、光伏特效應(yīng)

37、結(jié)合起來可能會有光明的前途。制造出廉價高效的太陽能電池是解決地球上能源問會有光明的前途。制造出廉價高效的太陽能電池是解決地球上能源問題的途徑之一。題的途徑之一。該效應(yīng)是發(fā)現(xiàn)最早的光伏特效應(yīng)。該效應(yīng)是發(fā)現(xiàn)最早的光伏特效應(yīng)。前面提及的幾個光生伏特效應(yīng)是在前面提及的幾個光生伏特效應(yīng)是在固體中發(fā)生的。固體中發(fā)生的。貝克勒效應(yīng)是在液貝克勒效應(yīng)是在液體中的光生伏特效應(yīng)。這種效應(yīng)已體中的光生伏特效應(yīng)。這種效應(yīng)已透明電極二氧化鈦粒子電解質(zhì)光敏染料導(dǎo)電玻璃（）（）圖電解質(zhì)被用來制成實用化的感光電池。被用來制成實用化的感光電池。五、光子牽引效應(yīng)五、光子牽引效應(yīng) 如圖所示，當(dāng)一束光子能量還如圖所示，當(dāng)一束光子能量還

38、不足以引起電子空穴產(chǎn)生的激光不足以引起電子空穴產(chǎn)生的激光照射在一塊樣品上時，可以沿光束照射在一塊樣品上時，可以沿光束傳播的方向，在樣品的兩個側(cè)端面?zhèn)鞑サ姆较?，在樣品的兩個側(cè)端面上，建立起電位差上，建立起電位差，其大小與光，其大小與光功率成正比。這種現(xiàn)象稱為光子牽功率成正比。這種現(xiàn)象稱為光子牽引效應(yīng)。引效應(yīng)。光子具有動量。當(dāng)光子與材料中的載流子相互碰撞時，光子具有動量。當(dāng)光子與材料中的載流子相互碰撞時，可以將動量傳遞給載流子，因而在光束方向引起載流于的可以將動量傳遞給載流子，因而在光束方向引起載流于的定向運動，在端面形成電荷累積，產(chǎn)生附加電場，當(dāng)附加定向運動，在端面形成電荷累積，產(chǎn)生附加電場，當(dāng)

39、附加電場對載流子的電場力與光子產(chǎn)生的沖力平衡時，便建立電場對載流子的電場力與光子產(chǎn)生的沖力平衡時，便建立起穩(wěn)定的電位差起穩(wěn)定的電位差VL。與前面提到的光電效應(yīng)不同，那些效應(yīng)都涉及到載流子的產(chǎn)生，都是光子能量轉(zhuǎn)移給電子，而這里不顧及載流于的產(chǎn)生，將光子的動量轉(zhuǎn)移給電子,這種轉(zhuǎn)移發(fā)生很快。此類光探測器具有快速的響應(yīng)（響應(yīng)時間約）激光型半導(dǎo)體圖光子牽引效應(yīng)第四節(jié)第四節(jié) 俄俄 歇歇 效效 應(yīng)應(yīng) 1925年法國人俄歇（M.P.Auger）在威爾遜云霧室中，用X射線研究電離惰性氣體的光電效應(yīng)。預(yù)想是X射線光子能量越高，逸出光電子的初動能越大，在云霧室中形成的軌跡應(yīng)該越長。可他卻沿著X射線方向觀察到了雙電子

40、徑跡現(xiàn)象。這兩條徑跡從同一點發(fā)出，其中一條徑跡的長度隨X射線光子能量的增加而增加，可以用原子內(nèi)殼層光電子發(fā)射來解釋；而另一條電子徑跡的長度，不隨X射線光子能量變化，卻同被照射原子類型有關(guān)，不能用光電效應(yīng)來解釋。后來稱造成這種徑跡的電子為俄歇電子。在發(fā)射光電子后，發(fā)射俄歇電子，使原子、分在發(fā)射光電子后，發(fā)射俄歇電子，使原子、分子成為高階離子的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。子成為高階離子的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。俄歇電子的產(chǎn)生過程俄歇電子的產(chǎn)生過程以氬原子為例：以氬原子為例： 能量大于能量大于K殼層電子結(jié)合能的殼層電子結(jié)合能的光子或電子與氬原子碰撞，轟擊出光子或電子與氬原子碰撞，轟擊出K殼層的束縛電子，留下一個空穴

41、，殼層的束縛電子，留下一個空穴，如圖如圖1- (b)所示，所示，K殼層被電離。這殼層被電離。這時，原子內(nèi)電子分布失去平衡，縱時，原子內(nèi)電子分布失去平衡，縱使靜電力也會促使較外層的電子來使靜電力也會促使較外層的電子來填補這個空穴。較外層電子能量比填補這個空穴。較外層電子能量比內(nèi)層高，當(dāng)它為填補空穴躍遷到內(nèi)內(nèi)層高，當(dāng)它為填補空穴躍遷到內(nèi)層時，應(yīng)將多余的能量釋放出去。層時，應(yīng)將多余的能量釋放出去。俄歇電子 0KL1L1躍遷（c）。0人射光子或電子光電子（b） K殼層L殼層M殼層真空能級0M1M2M3L1L2L3（a）圖15 俄歇電子發(fā)射解釋的方法有兩種：解釋的方法有兩種：一種是以一種是以光子形式輻射

42、光子形式輻射，如發(fā)射軟，如發(fā)射軟X射線；射線；另一種另一種是非輻射能量轉(zhuǎn)移，將能量轉(zhuǎn)移給另一個電子，得是非輻射能量轉(zhuǎn)移，將能量轉(zhuǎn)移給另一個電子，得到能量的這個電子從原子中發(fā)射出來，這就是我們所說的到能量的這個電子從原子中發(fā)射出來，這就是我們所說的俄歇電子俄歇電子。 多重能級之間電子躍遷產(chǎn)生多俄歇電子發(fā)射俄歇電子的發(fā)射，可俄歇電子的發(fā)射，可以理解成在電子填充以理解成在電子填充空穴的過程中，電子空穴的過程中，電子之間存在庫侖力，使之間存在庫侖力，使它們在能級之間躍遷，它們在能級之間躍遷，并彼此交換能量。一并彼此交換能量。一個電子能量的降低，個電子能量的降低，伴隨著另一電子能量伴隨著另一電子能量的增

43、高，這躍遷過程的增高，這躍遷過程就是所謂的俄歇效應(yīng)就是所謂的俄歇效應(yīng)。 固體能帶中俄歇電子的發(fā)射俄歇電子能譜的應(yīng)用俄歇電子能譜的應(yīng)用 用俄歇電子譜儀能對氣體進行元素分析用俄歇電子譜儀能對氣體進行元素分析和分子類型分析，也可進行電離過程研和分子類型分析，也可進行電離過程研究。俄歇電子譜儀能成功地進行固體表究。俄歇電子譜儀能成功地進行固體表面的成分分析，還可以分析表面發(fā)生的面的成分分析，還可以分析表面發(fā)生的吸附、脫附、擴散、催化反應(yīng)，薄膜生吸附、脫附、擴散、催化反應(yīng)，薄膜生長、表面污染等。俄歇電子譜儀有靈敏長、表面污染等。俄歇電子譜儀有靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點，在表面物理、度高、分析速度快等優(yōu)點

44、，在表面物理、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、催化劑、冶金、電子化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、催化劑、冶金、電子等諸多領(lǐng)域有很多重要應(yīng)用。等諸多領(lǐng)域有很多重要應(yīng)用。第五節(jié)第五節(jié) 康康 普普 頓頓 效效 應(yīng)應(yīng) 與與 逆逆 康康 普普 頓頓 效效 應(yīng)應(yīng) 康普頓（康普頓（A.H. Compton）在）在1922一一1923年間研究物質(zhì)對年間研究物質(zhì)對X射線的散射，如射線的散射，如圖圖1-17所示，實驗發(fā)現(xiàn)所示，實驗發(fā)現(xiàn):如果將如果將X射線視為電磁波，射線視為電磁波，X光光的散射歸因于物質(zhì)中電子的受迫的散射歸因于物質(zhì)中電子的受迫振動，散射光波長應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌肷湔駝?，散射光波長應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌肷涔獠ㄩL，因此，光的波動理論不光波長，因此，光的波

45、動理論不能解釋康普頓效應(yīng)。但將光視為能解釋康普頓效應(yīng)。但將光視為光子流的光量子論可以圓滿地解光子流的光量子論可以圓滿地解釋這個效應(yīng)。釋這個效應(yīng)。將一束將一束X 射線投射在石墨上，從不同方射線投射在石墨上，從不同方位用位用X 射線譜儀來測量散射的射線譜儀來測量散射的X射線。射線。在散射的在散射的X 射線中，除有原波長射線中，除有原波長 的射的射線外，還有波長線外，還有波長 的射線。這種的射線。這種波長改變的散射，稱為康普頓效應(yīng)波長改變的散射，稱為康普頓效應(yīng).由康普頓觀察并提出了理論解釋，。由康普頓觀察并提出了理論解釋，。我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)，從我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)，從1924一一1926年間年間（當(dāng)

46、時他是康普頓的研究生），進一步觀察（當(dāng)時他是康普頓的研究生），進一步觀察X 射線對各種物質(zhì)的散射實驗，確認(rèn)散射射線對各種物質(zhì)的散射實驗，確認(rèn)散射X 射線波長的改變射線波長的改變 ，與入射，與入射X 射線的波長和散射物質(zhì)無關(guān)，只與散射方位射線的波長和散射物質(zhì)無關(guān)，只與散射方位有關(guān)，有關(guān)， 與散射角與散射角 之間有下列簡單關(guān)系：之間有下列簡單關(guān)系： 2 sin 2 / 2式中：0.00241nm，是實驗得出的常數(shù)。相當(dāng)散射角 / 2 時的波長改變。光束視為光子束。光束視為光子束。X射線與物質(zhì)的相互作用就可看作光子與實物微粒的射線與物質(zhì)的相互作用就可看作光子與實物微粒的碰撞過程。碰撞過程。X射線光子

47、與原子外層電子碰撞，因外層電子與原子核聯(lián)系較射線光子與原子外層電子碰撞，因外層電子與原子核聯(lián)系較弱，很易在弱，很易在X射線作用下離開原子，射線作用下離開原子，X射線散射就可近似看作光子與自由射線散射就可近似看作光子與自由電子完全彈性碰撞的過電子完全彈性碰撞的過 程。碰撞前后光子和電子的總動量守恒，總能量也程。碰撞前后光子和電子的總動量守恒，總能量也守恒。要注意的是光子是以光速運動，應(yīng)按相對論來考慮問題，守恒。要注意的是光子是以光速運動，應(yīng)按相對論來考慮問題，光子的能量為光子的能量為 ，由質(zhì)能關(guān)系，由質(zhì)能關(guān)系Em C 2，得光子質(zhì)量，得光子質(zhì)量 m C2光子動量：光子動量： p m C C /

48、碰撞前、碰撞后總能量守恒，總動量守恒分別可寫為：碰撞前、碰撞后總能量守恒，總動量守恒分別可寫為： m 0 C 2 m C2 （a） p p m （b）利用（利用（a）、（）、（6）二式可得，散射）二式可得，散射X射線的波長改變射線的波長改變 2 / m 0 C sin2 / 2 （c）式中: m m 0 /（1 / c）1 / 2， m 0為電子靜止質(zhì)量，為電子靜止質(zhì)量， m 0 C 2電子靜止能，電子靜止能， m C 2是電子速度為是電子速度為V時的能量。時的能量。 p / ， p / 分別表示碰撞前、碰撞后光子的動量。分別表示碰撞前、碰撞后光子的動量。 如果光子與被原子核緊緊束如果光子與被

49、原子核緊緊束縛的電子碰撞，這就相當(dāng)于與整縛的電子碰撞，這就相當(dāng)于與整個原子碰撞，上式中電子的靜止個原子碰撞，上式中電子的靜止質(zhì)量質(zhì)量 m0 就要用原子的質(zhì)量取代。就要用原子的質(zhì)量取代。這樣，這樣，將變得很小，光子不將變得很小，光子不會明顯的改變能量或波長，會明顯的改變能量或波長，所以在散射中仍可觀察到與入射光所以在散射中仍可觀察到與入射光波長相同的成份，如圖波長相同的成份，如圖1-18所示，所示，這入射波長這入射波長 的位置正好可用來的位置正好可用來作為度量作為度量 的參考。的參考。 由于電子既不是完全自由的，由于電子既不是完全自由的，也不是靜止的。所以散射光不僅僅也不是靜止的。所以散射光不僅

50、僅出現(xiàn)正好兩個波長（或兩條強度線）出現(xiàn)正好兩個波長（或兩條強度線）而是有如圖而是有如圖118那樣按波長分布那樣按波長分布的輪廓線。實驗還表明，輪廓線峰的輪廓線。實驗還表明，輪廓線峰的高低、寬窄、形狀與元素的原子的高低、寬窄、形狀與元素的原子序數(shù)之有關(guān)，直接反映了物質(zhì)內(nèi)部序數(shù)之有關(guān)，直接反映了物質(zhì)內(nèi)部電子動量的分布。電子動量的分布?？灯疹D效應(yīng)涉及高能光子與低能電子康普頓效應(yīng)涉及高能光子與低能電子的碰撞，碰撞的結(jié)果是使光子部分能量轉(zhuǎn)的碰撞，碰撞的結(jié)果是使光子部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，使光的波長變長，頻率變低移給了電子，使光的波長變長，頻率變低倘若用光子與高能電子碰撞，會出現(xiàn)倘若用光子與高能電子碰撞，會出現(xiàn)相反的情況，高能電子將能量轉(zhuǎn)移給光子，相反的情況，高能電子將能量轉(zhuǎn)移給光子，光子頻率升高，波長變短，這種現(xiàn)象稱為光子頻率升高，波長變短，這種現(xiàn)象稱為逆康普頓效應(yīng)。逆康普頓效應(yīng)。逆康普頓效應(yīng)已有人想用來產(chǎn)生逆康普頓效應(yīng)已有人想用來