輻射度與光度量

1、 光輻射光輻射：通常把對應(yīng)于真空中的波長在：通常把對應(yīng)于真空中的波長在0.380.38 微米到微米到0.780.78微米范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。微米范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。 廣義地講，廣義地講，X X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射線、紫外輻射、可見光和紅外輻 射都可以叫光輻射。射都可以叫光輻射。 光源光源：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù)：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù) 中的光源可分為中的光源可分為自然光源自然光源和和人造光源人造光源兩類。兩類。 另一類是生理的，叫作另一類是生理的，叫作光度學(xué)量光度學(xué)量，是描述光，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)輻射能為平均人

2、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，叫作一類是物理的，叫作輻射度學(xué)量輻射度學(xué)量，是用能量單，是用能量單 位描述光輻射能的客觀物理量；位描述光輻射能的客觀物理量； ergJJcal 7 10118. 41 1、輻射能輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳 播或接收的能量，單位為播或接收的能量，單位為J J( (焦耳焦耳) )

3、。 2輻射能密度輻射能密度 we :光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光 源的輻射能密度。源的輻射能密度。 dVdQw ee / 3、輻射通量輻射通量e：又稱輻射功率，是輻射能的時間：又稱輻射功率，是輻射能的時間 變化率，單位為瓦變化率，單位為瓦 (1W=1(1W=1J J/s)/s)，是單位時間內(nèi)發(fā)射、，是單位時間內(nèi)發(fā)射、 傳傳 播或接收的輻射能。播或接收的輻射能。 dtdQe e / 4 4、輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個點(diǎn)光源發(fā)：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)所輻射出出的，在單位時間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)

4、所輻射出 的能量，單位為的能量，單位為 Wsr( (瓦每球面度瓦每球面度) )， ddI ee / coscos 2 dSd d dS dI L ee e 5 5、輻射亮度輻射亮度 Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，：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 為為 ( (瓦每球面度平方米瓦每球面度平方米) ) 。 dAdM ee / 6 6、輻射出射度輻射出射度M Me e：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量， de 是擴(kuò)展源表面是擴(kuò)展源表面dA在各方向上在各方向上( (

5、通常為半空間立體角通常為半空間立體角) ) 所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦/ /米米2 2 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。 7 7、輻射照度輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量投射在單位面積上的輻射通量，單，單 位為位為 ( (瓦每平方米瓦每平方米) )。dA是投射輻射通量的面積元。是投射輻射通量的面積元。 dAdE ee / 輻射照度和輻射出射度的單位相同，其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區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面輻射接收面所接收的輻所接收的輻 射特性，而后者則為描述射特性，而后者則為描述擴(kuò)展輻射源擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射向外發(fā)射

6、 的輻射特性。的輻射特性。 對于理想的散射面，有對于理想的散射面，有Ee= Me 光譜輻射度量光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量：光譜輻射度量也叫輻射量 的的光譜密度光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許。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。光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度光譜輻射度 量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。 1 1、光譜輻射通量光譜輻射通量 ：光源發(fā)出的光在每單位波長間 ：光源

7、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 ( (瓦每微米瓦每微米) ) 或或 ( (瓦每納米瓦每納米) )。 e d d e 在波長在波長 處的光譜輻射通量為處的光譜輻射通量為 在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為 d e 0 d dI I e )( 3 3、光譜輻射強(qiáng)度光譜輻射強(qiáng)度I ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔 內(nèi)的輻射強(qiáng)度。內(nèi)的輻射強(qiáng)度。 d dM M e )( 2 2、光譜輻射出射度光譜輻射出射度M：光源發(fā)出的光在每單位波長間：光源發(fā)出的光在每單位波長

8、間 隔內(nèi)的輻射出射度。隔內(nèi)的輻射出射度。 e MdM 0 )( e IdI 0 )( d dE E e )( 4 4、光譜輻射亮度光譜輻射亮度L ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔 內(nèi)的輻射亮度。內(nèi)的輻射亮度。 d dL L e )( 5 5、光譜輻射照度光譜輻射照度E ：光源發(fā)出的光在每單位波長間：光源發(fā)出的光在每單位波長間 隔內(nèi)的輻射照度。隔內(nèi)的輻射照度。 e LdL 0 )( e EdE 0 )( 1、關(guān)于輻射度量，錯誤的是（、關(guān)于輻射度量，錯誤的是（ ） A、Ee是描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性是描述擴(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

9、，給定方向上單位立為從一個點(diǎn)光源發(fā)出的，給定方向上單位立 體角內(nèi)所輻射出的輻射能體角內(nèi)所輻射出的輻射能 C、 對于理想的散射面，有對于理想的散射面，有Ee= Me D、 e是輻射能的時間變化率是輻射能的時間變化率 由于大部分光源是作為照明用的，而且照明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的效果最終是以人眼來評定的 ，因此照明光源，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。光度量來描述。 光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強(qiáng)度 值。值。能量相同而波長不同的光能量

10、相同而波長不同的光，對人眼引起的視，對人眼引起的視 覺強(qiáng)度是不相同的。覺強(qiáng)度是不相同的。 光度量只在光譜的光度量只在光譜的(380nm-780nm)(380nm-780nm)才有意義。才有意義。 輻射度量輻射度量符號符號單位單位光度量光度量符符 號號 單位單位 輻射能輻射能QeJ光量光量Qlm.s 輻射通量輻射通量 eW光通量光通量lm（流明流明） 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度IeW/sr發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度Icd（坎德拉坎德拉） =lm/sr 輻射照度輻射照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2 輻射出射度輻射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2 輻射亮度輻射亮度LeW/sr

11、.m 2 光亮度光亮度Lcd/m2 光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位坎德坎德 拉拉(Candela)，記作，記作cd，它是國際單位制中七個基本單，它是國際單位制中七個基本單 位之一。其定義是位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方波長的單色輻射，在給定方 向上的輻射強(qiáng)度為向上的輻射強(qiáng)度為1683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光時，在該方向上的發(fā)光 強(qiáng)度為強(qiáng)度為l lcd。 光通量的單位是光通量的單位是流明流明( (lm) )，它是發(fā)光強(qiáng)度為，它是發(fā)光強(qiáng)度為l lcdcd的的 均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。

12、 光照度的單位是光照度的單位是勒克斯勒克斯( (lx) )，它相當(dāng)于，它相當(dāng)于lm的光通的光通 量均勻地照在量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。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，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，對一般情況下，對。 視見函數(shù)：視見函數(shù)：國際照明委員會國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人根據(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 種波長的光的種波長的光的，稱為，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察標(biāo)準(zhǔn)光度觀察 者者”的光譜光視效率的光譜光視效率V(),(),或稱視見函數(shù)。或稱視

13、見函數(shù)。 1)(V1)555(nmV 1 1、光通量光通量 ：光輻射通量對人眼所引起的視覺強(qiáng)度：光輻射通量對人眼所引起的視覺強(qiáng)度 值。值。 例：若在波長例：若在波長到到d間隔之內(nèi)的光源輻射通量為間隔之內(nèi)的光源輻射通量為 e， d 。則光通量為。則光通量為 780 380 , )()( dVKdVK emem Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流 明明/ /瓦，瓦， Km683lm/W，它表示在波長為，它表示在波長為555nm處，即處，即 人眼光譜光視效率最大人眼光譜光視效率最大（V()=1）處處, ,與與1w1w的輻射能通的輻射能通 量相當(dāng)?shù)?/p>

14、光通量為量相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時；換句話，此時1 1lm相當(dāng)于相當(dāng)于 1/683W 2 2、發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所：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。發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。 d d I 3 3、光出射度光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出：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。的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。 dA d M dA d E 4 4、光照度光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射 光通量，

15、稱為該點(diǎn)的光照度。光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。 用點(diǎn)光源照明時，被照面的照度用點(diǎn)光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)與光源的發(fā) 光強(qiáng)度光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的距離成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成的平方成 反比。反比。 2 l I E 22 2 4 4 4 4 R I R I dA d E RdA d ER I I 的球面上的輻射照度為的球面上的輻射照度為半徑為半徑為又又 的總輻射通量為的總輻射通量為在理想情況下，點(diǎn)光源在理想情況下，點(diǎn)光源 設(shè)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度為設(shè)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度為 如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線 的夾角為的夾角為

16、，則：，則： cos 2 l I E 對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光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，其中出射度與光照度成正比，其中為漫反射率，它為漫反射率，它 小于小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。 EM 5 5、光亮度光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上在給定方向上 的發(fā)光強(qiáng)度的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投正投 影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。 為給定方為給定方 向與面元法線間的夾角。向與面元法線間的夾角

17、。 cos dA dI L 6 6、光量光量Q：光通量：光通量對時間的積分，稱為光量。對時間的積分，稱為光量。 dtQ 2、關(guān)于光度量，正確的是（、關(guān)于光度量，正確的是（ ） A、輻射輻射通量的單位為通量的單位為勒克斯勒克斯 B、發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉 C、光光通量的單位為流明通量的單位為流明 D、光照度的單位為坎德拉、光照度的單位為坎德拉 1、通常把對應(yīng)于真空中波長在（、通常把對應(yīng)于真空中波長在（ ）到（）到（ ）范圍內(nèi)）范圍內(nèi) 的電磁輻射稱為光輻射。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、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩 類，

18、一類是（類，一類是（ ），另一類是（），另一類是（ ）。）。 3、光具有波粒二象性，既是（光具有波粒二象性，既是（ ），又是（），又是（ ）。光）。光 的傳播過程中主要表現(xiàn)為（的傳播過程中主要表現(xiàn)為（ ），但當(dāng)光與物質(zhì)之間），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（發(fā)生能量交換時就突出地顯示出光的（ ）。）。 1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？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？輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？ 1 1、證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個相距、證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個相距 1010倍的相同探測器上的照度相

19、差多少倍？倍的相同探測器上的照度相差多少倍？ 2 2、可見光的波長、頻率和光子的能量范圍各是多少、可見光的波長、頻率和光子的能量范圍各是多少? ? hE 物體按導(dǎo)電能力分：物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體、絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在10 6 10 3cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻 范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻 率大于率大于1012cm 以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于 它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。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。它對溫度的半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。

20、它對溫度的 變化非常敏感。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。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。外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。 1 1、原子中電子的能級、原子中電子的能級 能級能級：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核：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)稱為狀態(tài)稱為量子態(tài)量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為

21、。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為 能級能級。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的。 “軌道軌道”：電子出現(xiàn)幾率最：電子出現(xiàn)幾率最 高的部分區(qū)域。高的部分區(qū)域。 泡利不相容原理泡利不相容原理：在一個原子或原子組成的系統(tǒng)：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，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。直到所有電子填完為止。 2 2

22、、晶體中電子的能帶、晶體中電子的能帶 能帶能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之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)象稱為更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化電子的共有化。 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，

23、與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶能帶。 禁帶禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶允許帶， 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 禁帶禁帶。被電子占滿的允許帶稱為。被電子占滿的允許帶稱為滿帶滿帶，每一個能級上，每一個能級上 都沒有電子的能帶稱為都沒有電子的能帶稱為空帶空帶。 價帶價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子 能級相對應(yīng)的能帶稱為能級相對應(yīng)的能帶稱為價帶價帶。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為價帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶

24、。導(dǎo)帶。 允許帶允許帶（導(dǎo)帶）（導(dǎo)帶） 允許帶允許帶（價帶）（價帶） 允許帶允許帶（滿帶）（滿帶） 禁帶禁帶 E 禁帶禁帶 導(dǎo)帶的底能級表示為導(dǎo)帶的底能級表示為Ec（或（或E-），價帶的頂能級表，價帶的頂能級表 示為示為Ev （或（或E+） ，Ec與與Ev之間的能量間隔稱為禁帶之間的能量間隔稱為禁帶 Eg。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價帶價帶 禁帶禁帶 E Vcg EEE 或EE c EEV或 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(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子載流子。導(dǎo)體中。導(dǎo)體中 的載流子是自由電子，的

25、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。子和帶正電的空穴。 絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖 a) a) 絕緣體絕緣體 b) b) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 c) c) 金屬金屬 3 3、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 半導(dǎo)體兩端加電壓后半導(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。帶中的電子是不導(dǎo)電的。 價帶價帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 E (滿帶滿帶

26、) 如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶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)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。動而形成電流。 價帶價帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 E 由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作由于導(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用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足

27、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。上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。 價帶價帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 E 價電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化價電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級使它躍遷到新的能級 上的條件是：上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子能給電子提供足夠能量的外界作用、電子 躍入的能級是空的躍入的能級是空的。 價帶價帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 E 1、關(guān)于能帶理論，正確的是（）、關(guān)于能帶理論，正確的是（） A、價帶是允許帶、價帶是允許帶 B、導(dǎo)帶是滿帶導(dǎo)帶是滿帶 C、禁帶是允許帶、禁帶是允許帶 D、導(dǎo)帶是導(dǎo)帶是允許帶允許帶 2、關(guān)于半導(dǎo)體，錯誤的是

28、（）、關(guān)于半導(dǎo)體，錯誤的是（） A、電阻溫度系數(shù)一般是正的、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、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、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導(dǎo)電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響 單晶單晶在一塊材料中，原子全部作有在一塊材料中，原子全部作有 規(guī)則的周期排列。規(guī)則的周期排列。 多晶多晶只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則只在很小范圍內(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)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。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現(xiàn)代固體電子與光電子器

29、件大多由半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制備，制備， 半導(dǎo)體材料大多為半導(dǎo)體材料大多為晶體晶體（晶體中原子有序排列，非晶體（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：中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶： 4 4、半導(dǎo)體的分類、半導(dǎo)體的分類 完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。 在沒有外界作用和絕對零度時，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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。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，由于半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下

30、， 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。中有電子，價帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。 E E g E 晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能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)。體能帶的范圍之內(nèi)。 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在晶格中摻入某個硅原子被磷原子所替代，在晶格中摻入某個硅原子被磷原子所替代， 五價原子用

31、四個價電子與周圍的四價原子形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)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帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為 施主施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能施主能 級級ED。 ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底 EC 。 ED與與EC間的能量差稱為間的能量差稱為施主電離能。施

32、主電離能。N N 型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。 E E g E D E P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 晶體中某個硅原子被硼原子所替代，硼原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)，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)空一個電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空 穴。

33、容易獲取電子的原子稱為穴。容易獲取電子的原子稱為受主受主。受主獲。受主獲 取電子的能量狀態(tài)稱為取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級受主能級E A ，也位于，也位于 禁帶中。在價帶頂禁帶中。在價帶頂EV附近，附近， EA與與EV間能量差間能量差 稱為稱為受主電離能受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料型半導(dǎo)體由受主控制材料 導(dǎo)電性。導(dǎo)電性。 E E g E A E N N型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與P P型半導(dǎo)體的比較型半導(dǎo)體的比較 半導(dǎo)體半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)所摻雜質(zhì) 多數(shù)載流子多數(shù)載流子 （多子）（多子） 少數(shù)載流子少數(shù)載流子 （少子）（少子） 特性特性 N型型施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)電子電子空穴空穴nnpn P型型受主雜質(zhì)

34、受主雜質(zhì)空穴空穴電子電子nppp 摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：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?nèi)菀椎枚?。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。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。 E E g

35、E )(a E E )(b g E D E E E )(c g E A E (a)(a)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(b)N(b)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(c)P(c)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 l在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半在一定溫度下，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)躍空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能

36、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。載流子的復(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過 程形成平衡，稱為程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)，此時的載流子成為，此時的載流子成為 熱平衡載流子熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。，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)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(jì)分布規(guī)律。米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。 在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的能態(tài)被電子占據(jù) 的概率由的概率由費(fèi)米費(fèi)米-

37、 -狄拉克函數(shù)狄拉克函數(shù)給出，即給出，即 kTEE F e Ef / 1 1 l熱平衡時半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)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)：一是在能帶中有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級）的分布能態(tài)（或能級）的分布，二是這，二是這 些能態(tài)中些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。 f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)的概率函數(shù) k：波耳茲曼常數(shù)，：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K T：絕對溫度：絕對溫度 EF：費(fèi)米能級：費(fèi)米能級( (絕對零度時的電子的最高絕對零度時的電子的最高 能級能級) ) 費(fèi)米費(fèi)米- -狄

38、拉克函數(shù)曲線狄拉克函數(shù)曲線 當(dāng)當(dāng)E=EF時，時，f(E)=1/2 當(dāng)當(dāng)E1/2 當(dāng)當(dāng)EEF時，時，f(E)kT時時 kTEkTEkTEE kTEE eee e Ef FF F / / 1 1 隨著隨著E的增加，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附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂EV附近。附近。 EF為表征電子占據(jù)某能級為表征電子占據(jù)某能級E的概率的的概率的“標(biāo)尺標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶，它定性表示導(dǎo)帶 中電子或價帶中空穴的多少。常溫下中電子或價帶中空穴的多少。常溫下

39、EF隨材料摻雜程度而變化。對隨材料摻雜程度而變化。對 于本征半導(dǎo)體于本征半導(dǎo)體 EF (EC + EV )/2 一般，費(fèi)米能級在禁帶中，一般，費(fèi)米能級在禁帶中， ( (EEF) 比比kT 大得多。所大得多。所 以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度n和價帶空穴濃度和價帶空穴濃度p分別為：分別為： kTEE kTEE VF FC eNp eNn / / N為導(dǎo)帶的有效能級密度為導(dǎo)帶的有效能級密度 N為價帶的有效能級密度為價帶的有效能級密度 kTE kTEE kTEEkTEE g VC VFFC eNNeNN eNeNpn / / / pnnnpn ii 2 ni稱稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度

40、為半導(dǎo)體的本征載流子濃度 對本征對本征半導(dǎo)體而言半導(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狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個常 數(shù)數(shù)本征載流子濃度的平方。本征載流子濃度的平方。 2 i kTE neNNpn g / a) a) 重?fù)诫s重?fù)诫sP P型型 b) b) 輕摻雜輕摻雜P P型型 c) c) 本征型本征型 d) d) 輕摻雜輕摻雜N N型型 e) e) 重?fù)诫s重?fù)诫sN N型型 l半導(dǎo)體在外界

41、條件有變化（如受光照、外電場半導(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，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)稱為此時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)非熱平衡態(tài)。載流子濃度對于。載流子濃度對于 熱平衡狀態(tài)時濃度的增量稱為熱平衡狀態(tài)時濃度的增量稱為非平衡載流子非平衡載流子。 電注入電注入：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，：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。使熱平衡受到破壞。 光注入光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價：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，同帶中的電子吸收了

42、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。時在價帶中留下等量的空穴。 光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入： 滿足滿足 nnpn nn0pn0ni2 nn0 n nn0 n0p pn0n0 n ni i2 2 n nn0 n0 n nn nppn n 條件的注入稱為條件的注入稱為弱光注入弱光注入。 對于弱光注入對于弱光注入 n nn n=n=nn0 n0+n +nn nnnn0 n0 p pn n=p=pn0 n0+p +pn nppn n 此時受影響最大的是少子濃度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)都是少可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件

43、對光的響應(yīng)都是少 子行為子行為。例如：一。例如：一N N型硅片，室溫下，型硅片，室溫下，n nn0 n0=5.5 =5.5101015 15cm cm-3 -3， ，p pn0 n0=3.5 =3.510104 4cmcm-3 -3；弱 ；弱 光注入下，光注入下，n =p=10n =p=1010 10cm cm-3 -3，此時非平衡載流子濃度 ，此時非平衡載流子濃度 n nn n=n=nn0 n0+n +nn n=5.5=5.5101015 15+10 +1010 10 5.5 5.5 10 1015 15cm cm-3 -3 p pn n=p=pn0 n0+p +pn n=3.5=3.510

44、104 4+10+1010 1010 1010 10cm cm-3 -3 使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動稱為使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動稱為產(chǎn)生產(chǎn)生，單，單 位時間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對數(shù)目稱為位時間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對數(shù)目稱為產(chǎn)產(chǎn) 生率生率G G。 使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動稱為使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動稱為復(fù)合復(fù)合，單，單 位時間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為位時間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為復(fù)復(fù) 合率合率R R。 1、非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時存在在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時存在，在恒定持，在恒定持 續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同

45、時復(fù)合率也隨非續(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)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)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)。統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。 2 2、復(fù)合與非平衡載流子壽命、復(fù)合與非平衡載流子壽

46、命 非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存 在時間。它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，在時間。它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，小表示復(fù)合快，小表示復(fù)合快，大表示復(fù)合慢。大表示復(fù)合慢。 它決定了光電器件的時間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子它決定了光電器件的時間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子 壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。的大小與材料的微觀復(fù)合的大小與材料的微觀復(fù)合 結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。 )/(/pn或或復(fù)合率復(fù)合率 復(fù)合復(fù)合是指電子與空穴相遇時，成對消失，以熱或發(fā)光方式是指電子與空穴相遇時，成對

47、消失，以熱或發(fā)光方式 釋放出多余的能量。釋放出多余的能量。 通過復(fù)合中心復(fù)合通過復(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)：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 電子俘獲電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價帶稱；電子從復(fù)合中心落入價帶稱空穴俘獲空穴俘獲；電子從復(fù)合；電子從復(fù)合 中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射電子發(fā)射；電子從價帶被激發(fā)到復(fù)合中心；電子從價帶被激發(fā)到復(fù)合中心 稱稱空穴發(fā)射空穴發(fā)射。 表面復(fù)合表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時會出現(xiàn)許多缺陷與損傷，：材料表面在研磨、

48、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。面復(fù)合。 直接復(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。導(dǎo)帶中電子直接跳回到價帶，與價帶中的空穴復(fù)合。 當(dāng)沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運(yùn)動，其平當(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。沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，但漂移和擴(kuò)散可使載流子

49、產(chǎn)生凈位移， 從而形成電流。從而形成電流。 1 1、擴(kuò)散、擴(kuò)散 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。的點(diǎn)運(yùn)動。 2 2、漂移、漂移 載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運(yùn)動，空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)動稱為穴向負(fù)電極方向運(yùn)動稱為漂移漂移。 在強(qiáng)電場作用在強(qiáng)電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會偏離偏離 歐姆定律歐姆定律。在弱電場作用在弱電場作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動服服 從歐姆定律從歐姆定律。 在在N N型半導(dǎo)體中，漂移所引起

50、的電流密度為：型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為： j電流密度電流密度; ; n為載流子密度；為載流子密度； q為電子電荷；為電子電荷；為載流子平均漂移速為載流子平均漂移速 度度 nqj 歐姆定律的微分形式為：歐姆定律的微分形式為： j 為電場強(qiáng)度為電場強(qiáng)度為電導(dǎo)率；為電導(dǎo)率； 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。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遷移率表示載流子在單位電場作用下所取得的漂 移速度移速度。 nqnq

51、nq 稱為遷移率設(shè) 在電場中電子所獲得的加速度為在電場中電子所獲得的加速度為 為載流子的有效質(zhì)量 * /mmqa 在漂移運(yùn)動中，因電子與晶格碰撞發(fā)生散射，故每在漂移運(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次碰撞后漂移速度降到零。如兩次碰撞之間的平均 時間為時間為f ，則經(jīng)，則經(jīng)f 后載流子的平均漂移速度為后載流子的平均漂移速度為 ff m q a * f m q * 遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時間有關(guān)。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，所以由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空空 穴的遷

52、移率比電子的遷移率小穴的遷移率比電子的遷移率小。 在電場作用下，任何載流子都要作漂移運(yùn)動。一在電場作用下，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)。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。少數(shù)載流子。 由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而引起由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶而引起 的吸收稱為的吸收稱為

53、本征吸收本征吸收。 物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物 體吸收，其余的光透過物體。體吸收，其余的光透過物體。半導(dǎo)體材料吸收光子半導(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)。能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。 1 1、本征吸收、本征吸收 產(chǎn)生本征吸收的條件產(chǎn)生本征吸收的條件： 即即 g Eh m E . E ch h E c Eh gg g g 241 m EE hc gg 24. 1 0 截止波長截止波長 2 2、雜質(zhì)吸收、雜質(zhì)吸收 雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜雜質(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)

54、帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收 稱為稱為雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或 遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外區(qū)。 iVAiDC E ch EE ch E ch EE ch 或 3 3、自由載流子吸收、自由載流子吸收 導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能導(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 種吸收稱為種吸收稱為自由載流子吸收自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。，表現(xiàn)為紅外吸收。 4 4、激子吸收、激子吸收 價帶中的電子吸收小于禁帶寬度

55、的光子能量也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(shí)際還與空穴保持著庫侖力自由電子。這時，電子實(shí)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)，稱為的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子激子。能。能 產(chǎn)生激子的光吸收稱為產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收激子吸收。這種吸收的光譜。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)。多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。 5 5、晶格吸收、晶格吸收 半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量

56、 直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽埽瑥亩谶h(yuǎn)紅外區(qū)形成一個直接變?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，這種吸收稱為連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收晶格吸收。 半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材。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)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，要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收， 可認(rèn)為硅對波長大于可認(rèn)為硅對波長大于1.15m的可見光透明。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

57、和數(shù)量。把和數(shù)量。把N型型、P型和本征（型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)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。成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。 1 1、PNPN結(jié)原理結(jié)原理 在無外電場或其它因素激發(fā)時在無外電場或其它因素激發(fā)時PNPN結(jié)處于平衡結(jié)處于平衡 狀態(tài)，沒有電流流過。空間電荷區(qū)的寬度和電位狀態(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，所以又差為恒定值。空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以又 稱稱耗盡層耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。，其寬度一般為數(shù)微米。 PNPN結(jié)加正向電壓的情況結(jié)加正向電壓的情況 工作原理工作原理在外加電場的

58、在外加電場的 作用下，多子被推向耗盡層，作用下，多子被推向耗盡層， 結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被 削弱，這有利于多子的擴(kuò)散削弱，這有利于多子的擴(kuò)散 而不利于少子的漂移。多子而不利于少子的漂移。多子 的擴(kuò)散電流通過回路形成正的擴(kuò)散電流通過回路形成正 向電流。耗盡層兩端的電位向電流。耗盡層兩端的電位 差變?yōu)?。一般只有零點(diǎn)幾伏，差變?yōu)?。一般只有零點(diǎn)幾伏， 所以不大的正向電壓就可以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常在回路中串入一個電阻用 以限制電流。以限制電流。 PNPN結(jié)加反向電壓的情況結(jié)加反向電壓的情況 工作原

59、理工作原理在外加電場在外加電場 的作用下，耗盡層變寬，的作用下，耗盡層變寬， 內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止 了多子的擴(kuò)散，但促使少了多子的擴(kuò)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 向電流。因少子的濃度很向電流。因少子的濃度很 低，并在溫度一定時少子低，并在溫度一定時少子 的濃度不變，所以反向電的濃度不變，所以反向電 流不僅很小，而且當(dāng)外加流不僅很小，而且當(dāng)外加 電壓超過零點(diǎn)幾伏后，因電壓超過零點(diǎn)幾伏后，因 少子的供應(yīng)有限，它基本少子的供應(yīng)有限，它基本 上不隨外加電壓增加而增上不隨外加電壓增加而增 加，故稱為反向飽和電流。加，故稱為反向飽和電流。 2 2、半導(dǎo)

60、體異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 將禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料，生長在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)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。 一、填空題：一、填空題： 1、物體按導(dǎo)電能力分（、物體按導(dǎo)電能力分（ ）（）（ ）（）（ ）。）。 2、價電子的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化、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使它躍遷到新的能級上的條件 是（是（ ）、（）、（ ）。）。 3、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