光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)

1、光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering第第01章章 光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ) 輻射度量學(xué)基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述掌握掌握了了 解解理理 解解光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1 光的基本概念光的基本概念1.1.2 輻射度量輻射度量1.1.4 兩條基本定律兩條基本定律1.1.3 光度量光

2、度量1.1.1 光的基本概念光的基本概念 領(lǐng)土安全、領(lǐng)空安全、領(lǐng)海安全、領(lǐng)土安全、領(lǐng)空安全、領(lǐng)海安全、太空安全、電磁空間安全太空安全、電磁空間安全國(guó)家安全新概念：國(guó)家安全新概念：1.1.1光的基本概念光的基本概念 電磁空間安全電磁空間安全 光學(xué)波段光學(xué)波段國(guó)家安全新概念：國(guó)家安全新概念： 1.1.1光的基本概念光的基本概念光學(xué)譜區(qū)光學(xué)譜區(qū) 0.01m1000m可見(jiàn)光區(qū)可見(jiàn)光區(qū) 0.38m0.78m紅外區(qū)紅外區(qū) 0.78m1000m紫外區(qū)紫外區(qū) 0.01m0.38m光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering光

3、電技術(shù)光電技術(shù)常用的光波波段常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段近紅外波段近紅外波段中紅外波段中紅外波段8 導(dǎo)彈羽煙導(dǎo)彈羽煙警用紫外成像警用紫外成像紅外制導(dǎo)紅外制導(dǎo)紅外預(yù)警紅外預(yù)警激光雷達(dá)激光雷達(dá)激光通信激光通信光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering光電技術(shù)光電技術(shù)常用的光波波段常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段近紅外波段近紅外波段中紅外波段中紅外波段已開發(fā)利用波段已開發(fā)利用波段待開發(fā)利用波段8光子能量公式光子能量公式

4、光既是電磁波（波動(dòng)性）又是光子流（光既是電磁波（波動(dòng)性）又是光子流（粒子性粒子性） 可見(jiàn)光光子的能量范圍為可見(jiàn)光光子的能量范圍為3.21.6eV 太赫茲波太赫茲波303000m能量范圍為？能量范圍為？eV 1.1.1光的基本概念光的基本概念 hc1 24eV.()太赫茲波太赫茲波303000m與與X射線比較：射線比較：光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1 光的基本概念光的基本概念1.1.2 輻射度量輻射度量1.1.4 兩條基本定律兩

5、條基本定律1.1.3 光度量光度量1.1. 2 輻射度量輻射度量輻射度學(xué)輻射度學(xué)是一門研究電磁輻射能測(cè)量是一門研究電磁輻射能測(cè)量的學(xué)科。的學(xué)科。本課程限于本課程限于光學(xué)波段光學(xué)波段的研究討論。的研究討論。輻射度學(xué)輻射度學(xué) 電磁波電磁波 客觀客觀光度學(xué)光度學(xué) 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 主觀主觀（生理、心理）（生理、心理）光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering電磁波電磁波（Emission ） 可見(jiàn)光可見(jiàn)光（Visible light ）輻射度量，輻射度量， Xe 光度量，光度量， Xv 1.1. 2 輻射度量輻射度量

6、 1輻射能輻射能Qe 2輻射通量輻射通量e又稱輻射功率，又稱輻射功率， 簡(jiǎn)稱功率簡(jiǎn)稱功率 單位：?jiǎn)挝唬?W 計(jì)算計(jì)算光電探測(cè)器光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換能力常用的光電轉(zhuǎn)換能力常用輻射功率輻射功率 分析分析強(qiáng)光強(qiáng)光對(duì)光電探測(cè)器破壞機(jī)理常用對(duì)光電探測(cè)器破壞機(jī)理常用輻射能量輻射能量 單位：?jiǎn)挝唬?J1.1. 2 輻射度量輻射度量3 3輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 ),(eI在給定方向上的立體角元內(nèi)，輻射源發(fā)出的輻射在給定方向上的立體角元內(nèi)，輻射源發(fā)出的輻射通量與立體角元之比通量與立體角元之比 Idd,ee單位：?jiǎn)挝唬篧/sr(瓦瓦/球面度球面度) 輻射強(qiáng)度反映了輻射源輻射強(qiáng)度反映了輻射源能量分布的什么特點(diǎn)？能量分布的

7、什么特點(diǎn)？3 3輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度),(eI輻射源多為各向異性的，即輻射源多為各向異性的，即Ie隨隨 方向而改變方向而改變),(超高壓球形氙燈輻射強(qiáng)度分布超高壓球形氙燈輻射強(qiáng)度分布 4輻射出度輻射出度Me與輻射亮度與輻射亮度Le輻射出度輻射出度Me SMddee面輻射源元的輻射面輻射源元的輻射能力能力4輻射出度輻射出度Me與輻射亮度與輻射亮度Le輻射出度輻射出度Me SMddee輻射亮度輻射亮度Le cosdddcosdd,e2eeSSIL面輻射源元的輻射面輻射源元的輻射能力能力面輻射源沿不同方向的輻射能力面輻射源沿不同方向的輻射能力的差異的差異 5輻射照度輻射照度Ee輻射接收面上單位面積輻射接

8、收面上單位面積接受的輻射通量接受的輻射通量 單位：?jiǎn)挝唬篧/m2 （瓦（瓦/平方米）平方米） eeddESSMddee比比 較：較：輻射照度輻射照度Ee輻射出度輻射出度Me例：常見(jiàn)的幾種顯示器例：常見(jiàn)的幾種顯示器為了反映顯示屏的特性，用上述哪個(gè)參數(shù)描述為了反映顯示屏的特性，用上述哪個(gè)參數(shù)描述合適？為什么？合適？為什么？為了描述顯示器的每個(gè)局部面元在各個(gè)方向的輻射能力，最適合的輻射度量是 （ ） A 輻射照度 B 輻射強(qiáng)度 C 輻射出度 D 輻射亮度6 6光譜輻射量光譜輻射量 輻射源輻射源 多波長(zhǎng)的輻射多波長(zhǎng)的輻射氘燈的光譜能量分布圖氘燈的光譜能量分布圖6 6光譜輻射量光譜輻射量 輻射源輻射源

9、多波長(zhǎng)的輻射多波長(zhǎng)的輻射熒光燈熒光燈的光譜能量分布圖的光譜能量分布圖6 6光譜輻射量光譜輻射量光譜輻射量是該輻射量在波長(zhǎng)光譜輻射量是該輻射量在波長(zhǎng)處的單位波長(zhǎng)間隔處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。長(zhǎng)的變化率。光譜輻射通量光譜輻射通量e()： 光譜輻射通量與波長(zhǎng)的關(guān)系：光譜輻射通量與波長(zhǎng)的關(guān)系： 1輻射能輻射能Qe 2輻射通量輻射通量e3輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 ),(eI4輻射出射度輻射出射度Me與輻射亮度與輻射亮度Le 5輻射照度輻射照度Ee6光譜輻射量光譜輻射量光電技術(shù)中最常用：光電技術(shù)中最常用： 輻射照度輻射照度輻

10、射通量輻射通量1.1. 2 輻射度量輻射度量1.1.3 光度量光度量u 人眼只能感知波長(zhǎng)在人眼只能感知波長(zhǎng)在0.380.380.78m0.78m之間的輻射之間的輻射u 人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感光靈敏度不同人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感光靈敏度不同1 1光譜光視效率光譜光視效率 或視見(jiàn)函數(shù)或視見(jiàn)函數(shù) 最大值在最大值在555 nm表表1 11 1 2 2光度量的基本物理量光度量的基本物理量光度量的基本物理量與輻射度量一一對(duì)應(yīng)光度量的基本物理量與輻射度量一一對(duì)應(yīng) 輻射度量符號(hào)單位名稱光度量符號(hào)單位名稱輻射能Qe焦耳 (J)光能Qv流明秒 (lms)輻射通量或輻射功率e瓦 (W)光通量或光功率v流明 (lm)輻射照度E

11、e瓦/平方米 (Wm-2)光照度Ev勒克斯 (lx=lmm-2)輻射出度Me瓦/平方米 (Wm-2)光出度Mv流明/平方米 (lmm-2)輻射強(qiáng)度Ie瓦/球面度 (Wsr-1)發(fā)光強(qiáng)度Iv坎德拉 (cd=lmsr-1)輻射亮度Le瓦/平方米球面度 (Wm-2 sr-1)光亮度Lv坎德拉/平方米 (cdm-2)發(fā)光強(qiáng)度單位發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉（坎德拉（Candela），記作），記作cd。即即=555 nm時(shí)，有時(shí)，有W/sr6831srlm 1cd1vI國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一 ：3 3輻射度量與光度量間的換算關(guān)系輻射度量與光度量間的換算關(guān)系=555 nm時(shí)時(shí)1W6

12、83lm=？ nm時(shí)時(shí) 1W683lmV3 3輻射度量與光度量間的換算關(guān)系輻射度量與光度量間的換算關(guān)系=555 nm時(shí)時(shí)1W683lm=？ nm時(shí)時(shí) 1W683lmVve( )683( )( )V任意波長(zhǎng)：任意波長(zhǎng)：其光度量其光度量3 3輻射度量與光度量間的換算關(guān)系輻射度量與光度量間的換算關(guān)系日元日元美元美元W/sr6831srlm 1cd1vIve( )683( )( )V光度量光度量輻射度量輻射度量光度量光度量單位舉例：?jiǎn)挝慌e例：例例2：無(wú)月夜天光無(wú)月夜天光 照度照度310-4lx （微光夜視）（微光夜視） 白天辦公室光白天辦公室光 照度照度 2100lx 對(duì)對(duì)CCD攝像機(jī)攝像機(jī) 黑白圖像

13、黑白圖像照度照度0.02lx 彩色圖像彩色圖像照度照度2lx例例3： 海平面太陽(yáng)光平均海平面太陽(yáng)光平均 亮度亮度 1.6109 cd.m-2 10mW氦氖激光器氦氖激光器亮度亮度6.661011cd.m-2 例例1：教室投影儀器教室投影儀器 光通量光通量2000lm2500lm 高檔的高檔的 光通量光通量3500lm光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering輻射度與光度量輻射度與光度量總結(jié)：總結(jié)：eMeIeLeSvMvIvLvSve( )683( )( )Vcos cos 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)

14、院College Of Optoelectric Science and Engineering1.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1 光的基本概念光的基本概念1.1.2 輻射度量輻射度量1.1.4 兩條基本定律兩條基本定律1.1.3 光度量光度量光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.1.4輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1 1輻射強(qiáng)度余弦定律輻射強(qiáng)度余弦定律 2 2距離平方反比定律距離平方反比定律1 1輻射強(qiáng)度余弦定律輻射強(qiáng)度余弦定律 “

15、余弦輻射體”或“朗伯輻射體” 特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的 0ddcosIILSS0cosII例如：太陽(yáng) 熒光屏 毛玻璃燈罩 坦克表面 兩條基本定律兩條基本定律1 1輻射強(qiáng)度余弦定律輻射強(qiáng)度余弦定律 “余弦輻射體”或“朗伯輻射體” 特點(diǎn)：各方向的輻射亮度是一樣的 0ddcosIILSS0cosII重要結(jié)論：（自行推導(dǎo)）LM兩條基本定律兩條基本定律2 2距離平方反比定律距離平方反比定律 意義：意義： 計(jì)算面元接收到光能量計(jì)算面元接收到光能量點(diǎn)光源A，距離光源為R微面元dS，照度：2dcosdIESR應(yīng)用條件：應(yīng)用條件： 光源尺寸遠(yuǎn)小于距離光源尺寸遠(yuǎn)小于距離R兩條基本定律兩條基本定律光電科學(xué)與工

16、程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering第第01章章 光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ) 輻射度量學(xué)基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)許多光電探測(cè)器都是由半導(dǎo)體材料制作的 半導(dǎo)體材料具有許多獨(dú)特物理性質(zhì)專門學(xué)科：半導(dǎo)體物理學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and E

17、ngineering1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 能帶理論能帶理論1.2.2 熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.2.4 非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移1.2.1 能帶理論能帶理論1 1原子能級(jí)與晶體能帶原子能級(jí)與晶體能帶 電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)a)單個(gè)原子單個(gè)原子 b)N個(gè)原子個(gè)原子最外層電子最外層電子自由電子自由電子1 1原子能級(jí)與晶體能帶原子能級(jí)與晶體能帶 價(jià)帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶

18、導(dǎo)帶Ec禁帶禁帶Eg價(jià)電子（最外層電子）能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶價(jià)電子（最外層電子）能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶 1.2.1 能帶理論能帶理論1 1原子能級(jí)與晶體能帶原子能級(jí)與晶體能帶 價(jià)帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ec禁帶禁帶Eg3.價(jià)電子-自由電子， 要吸收能量特別指出：1.價(jià)帶中電子，價(jià)電子不能參與導(dǎo)電2.導(dǎo)帶中電子，自由電子能參與導(dǎo)電1.2.1 能帶理論能帶理論1 1原子能級(jí)與晶體能帶原子能級(jí)與晶體能帶 價(jià)帶價(jià)帶Ev導(dǎo)帶導(dǎo)帶Ec禁帶禁帶Eg 為什么只考慮導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶？1.2.1 能帶理論能帶理論絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖 SiO2 Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg

19、=0電阻率電阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm半導(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性半導(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性重要應(yīng)用價(jià)值重要應(yīng)用價(jià)值1.2.1能帶理論能帶理論光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，又稱本征半導(dǎo)體，又稱I型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括包括N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 和和 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 1.2.1能帶理論能帶理論2. 半導(dǎo)體分類半導(dǎo)體分類

20、2 2半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶以硅晶體為例以硅晶體為例1.2.1能帶理論能帶理論共價(jià)鍵共價(jià)鍵 電子電子空穴對(duì)空穴對(duì) 載流子載流子 本征激發(fā)本征激發(fā) 室溫或光照射室溫或光照射光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering2 2半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶1.2.1能帶理論能帶理論室溫或光照射室溫或光照射共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 本征半導(dǎo)體能帶圖本征半導(dǎo)體能帶圖 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and EngineeringN N型半導(dǎo)體能帶型半導(dǎo)體能

21、帶N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 1.2.1能帶理論能帶理論施主能級(jí)？施主能級(jí)？ N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 含有三種載流子：含有三種載流子： （雜雜質(zhì)質(zhì)）自自由由電電子子（本本征征）空空穴穴本本征征）自自由由電電子子( 自由電子數(shù)自由電子數(shù)空穴數(shù)目空穴數(shù)目 ? (多子多子) (少子少子) “Negative”N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體PP1.2.1能帶理論能帶理論N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 含有三種載流子：含有三種載流子： （雜雜質(zhì)質(zhì)）自自由由電電子子（本本征征）空空穴穴本本征征）自自由由電電子子( 自由電子數(shù)自由電子數(shù)空穴數(shù)目空穴數(shù)目 ? (多子多子) (少子少子) “Negative”N型

22、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體PP1.2.1能帶理論能帶理論P(yáng) P型半導(dǎo)體能帶型半導(dǎo)體能帶N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 1.2.1能帶理論能帶理論P(yáng) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體含有三種載流子：含有三種載流子： （雜雜質(zhì)質(zhì)）空空穴穴（本本征征）空空穴穴本本征征）自自由由電電子子(空穴數(shù)目空穴數(shù)目自由電子數(shù)目？自由電子數(shù)目？ (多子多子) (少子少子)型半導(dǎo)體P PositiveBBBBB1.2.1能帶理論能帶理論2 2半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶1.2.1能帶理論能帶理論三者的差異？N N型半導(dǎo)體：施主能級(jí)型半導(dǎo)體：施主能級(jí) P P型半導(dǎo)體：受主能級(jí)型半導(dǎo)體：受主能級(jí) 摻雜百萬(wàn)分之一的雜

23、質(zhì)摻雜百萬(wàn)分之一的雜質(zhì), , 載流子濃度提高百萬(wàn)倍？載流子濃度提高百萬(wàn)倍？ 1.2.1能帶理論能帶理論光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering總結(jié)：總結(jié)：N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體與與P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體的比較的比較半導(dǎo)體半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)所摻雜質(zhì)多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子）（多子）少數(shù)載流少數(shù)載流子（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 空穴空穴電子濃度電子濃度nn空穴空穴濃度濃度pn P型型受主雜質(zhì)受主雜質(zhì) 空穴空穴 電子電子電子濃度電子濃度np空穴空穴濃度濃度pp1.2.1能帶理論能

24、帶理論光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 能帶理論能帶理論1.2.2 熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.2.4 非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)熱平

25、衡態(tài)1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)一個(gè)不受外界影響的封閉系統(tǒng)，其狀態(tài)參量（如溫度、載流子濃度等）與時(shí)間無(wú)關(guān)的狀態(tài)稱為熱平衡態(tài)。 載流子的分布載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度價(jià)帶中空穴的濃度光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡條件下，能量為熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被的能級(jí)被電子占據(jù)的概率電子占據(jù)的概率為：為： )exp(11)(fnkTEEEfEf費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)載流子的分布載流子的分布 服從費(fèi)米統(tǒng)

26、計(jì)分布規(guī)律服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)Ef的物理意義的物理意義 )exp(11)(fnkTEEEf1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子fEE 5 . 0)(nEfEf的意義是電子占據(jù)率為0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的能級(jí) 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子)exp(11)(fnkTEEEf電子占據(jù)概率：電子占據(jù)概率： 空穴占據(jù)概率：空穴占據(jù)概率： )exp(11)(1fnpkTEEEff光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College O

27、f Optoelectric Science and Engineering1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度價(jià)帶中空穴的濃度占據(jù)概率：占據(jù)概率： )exp(11)(fnkTEEEf)exp(11)(fnkTEEEffn( )expEEfEkTcfnc()expEEfEkT導(dǎo)帶中電子占據(jù)的概率：導(dǎo)帶中電子占據(jù)的概率： f5EEkTcfcexpEEnNkT導(dǎo)帶中總的電子濃度：導(dǎo)帶中總的電子濃度： 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Eng

28、ineeringkTEENnfccexp導(dǎo)帶導(dǎo)帶 電子濃度：電子濃度： 價(jià)帶價(jià)帶 空穴濃度：空穴濃度： kTEENpvfvexp1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布載流子的分布本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)：本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)： 用費(fèi)米能級(jí)描述載流子分布用費(fèi)米能級(jí)描述載流子分布 “標(biāo)尺標(biāo)尺”1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)推導(dǎo)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)推導(dǎo)練習(xí)：畫出輕摻雜練習(xí)：畫出輕摻雜N N型和重?fù)诫s型和重?fù)诫sN N型型費(fèi)米能級(jí)示意圖費(fèi)米能級(jí)示意圖1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)熱平衡態(tài)1.2 1.2 半導(dǎo)體的基

29、礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)載流子的分布載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度導(dǎo)帶中電子的濃度價(jià)帶中空穴的濃度價(jià)帶中空穴的濃度用費(fèi)米能級(jí)用費(fèi)米能級(jí)E Ef f描述：描述： 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體總總 結(jié)：結(jié)：光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 能帶理論能帶理論1.2.2 熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.2.4 非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4 載流

30、子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1 1吸收定律吸收定律(x)=0(1r)e-x =4/ 1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收本征吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收非本征吸收非本征吸收1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收：本征吸收： 光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶 ggEchEhv或m24. 1gg0

31、EEhc截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)產(chǎn)生產(chǎn)生電子空穴電子空穴 對(duì)對(duì)條件：條件：特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收：本征吸收：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)部，都有可能發(fā)生本征吸收！特別注意：特別注意：1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收非本征吸收：非本征吸收：m24.1m24.1aa0dd0EEhcEEhc 或或光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶 ，包括，包括雜質(zhì)吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收自由載流子吸收、激子吸收激子吸收、晶格吸收晶格吸收 雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)吸收：N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 施主施主束縛電子束縛電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶P P型半導(dǎo)體型半

32、導(dǎo)體 受主受主束縛空穴束縛空穴價(jià)帶價(jià)帶 1.2.3半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征吸收本征吸收電子電子 空穴空穴 對(duì)對(duì)雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收m24. 1gg0EEhc本征吸收本征吸收雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收0波長(zhǎng)增大波長(zhǎng)增大m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或本征吸收與非本征吸收比較：本征吸收與非本征吸收比較：電子電子 或或 空穴空穴光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 能帶理論能帶理論1.2.2 熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的

33、載流子1.2.3 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.2.4 非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1 1 非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子的注入和復(fù)合2. 2. 非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1 1非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子非平衡載流子 （過(guò)剩載流子）（過(guò)剩載流子） 1.2.

34、4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子光生載流子光生載流子熱生載流子熱生載流子1 1非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子的注入和復(fù)合產(chǎn)生：產(chǎn)生：復(fù)合：復(fù)合：使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng) 使非平衡載流子濃度減小的運(yùn)動(dòng)使非平衡載流子濃度減小的運(yùn)動(dòng) 壽命？壽命？ 1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子2.2.非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命光生載流子的平均生存時(shí)間稱為光生載流子的壽命，光生載流子的平均生存時(shí)間稱為光生載流子的壽命，用用c表示。表示。 以以N型為例，型為例，少子的壽命？少子的壽命？ 1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子0c0

35、d( )d( )tp ttp t 2.2.非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命以以N型為例，計(jì)算弱注入條件下型為例，計(jì)算弱注入條件下少子的壽命少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子復(fù)合率：復(fù)合率： Rrnp（熱）產(chǎn)生率： 0000GRrn pr為復(fù)合系數(shù) 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí) 為什么？為什么？ 2.2.非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命以以N型為例，計(jì)算弱注入條件下型為例，計(jì)算弱注入條件下少子的壽命少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子光生電子空穴對(duì)的直接復(fù)合率可用材料中少子的變化率表示為 00000d ( )d( )dd( )( )p tp tGRt

36、trn pr nn tpp t 0d ( ) ( )dp trnp tt弱注入n(t) =p(t) n02.2.非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命以以N型為例，計(jì)算弱注入條件下型為例，計(jì)算弱注入條件下少子的壽命少子的壽命1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子0d ( ) ( )dp trnp tt0 ( ) (0)ern tp tp0c0d( )d( )tp ttp tc01 ()/ rn弱注入條件下，載流子壽命與熱平衡時(shí)多子電子的濃度成反比，并且在一定溫度下是一個(gè)常數(shù)。 表明：2. 2. 非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 表征復(fù)合的強(qiáng)弱表征復(fù)合的強(qiáng)弱c決定線性光電導(dǎo)探測(cè)器的

37、時(shí)間特性決定線性光電導(dǎo)探測(cè)器的時(shí)間特性c的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷 等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 c的物理意義：的物理意義：1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子c01 ()/ rnc的適應(yīng)條件：的適應(yīng)條件： 本征吸收和雜質(zhì)吸收，本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱注入弱注入光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1 能帶理論能帶理論1.2.2 熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3 半導(dǎo)體對(duì)光

38、的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.2.4 非平衡狀態(tài)下的載流子非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移1.2.5 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 1擴(kuò)散擴(kuò)散 載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)稱載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散。為擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)D和和擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度L1.2 1.2 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) pLxpxpexp0cppDLneDJnnDppDJppD2 2漂移漂移 載流子受電場(chǎng)作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)稱為載流子受電場(chǎng)作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移。漂移。 電子遷移率電子遷移率 電子電流：電子電流： 空穴電流：空穴電流： 1.2.5載流子的擴(kuò)

39、散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移EneJnnEEpeJppEnnnepppeEJE光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0101章章 光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ)光輻射探測(cè)的理論基礎(chǔ) 輻射度量學(xué)基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3 光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述高萊氣動(dòng)型熱探測(cè)器熱釋電探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)熱電偶和熱電堆熱探測(cè)器光子牽引探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器

40、光伏探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光子探測(cè)器光電探測(cè)器光電效應(yīng)光電效應(yīng)光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3 光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述光輻射光輻射 非傳導(dǎo)電子非傳導(dǎo)電子-傳導(dǎo)電子傳導(dǎo)電子光輻射光輻射-電信號(hào)電信號(hào) ( (廣義廣義) )光電探測(cè)器光電探測(cè)器: :光電探測(cè)器的光電探測(cè)器的分類方法分類方法光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3 光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)

41、體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2 1.3.2 光探測(cè)器的噪聲光探測(cè)器的噪聲1.3.3 1.3.3 光探測(cè)器的性能參數(shù)光探測(cè)器的性能參數(shù)1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光子探利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光子探測(cè)器測(cè)器，如光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏探測(cè)器、光電，如光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏探測(cè)器、光電子發(fā)射探測(cè)器等。子發(fā)射探測(cè)器等。 1.3 光電探測(cè)器概述光電探測(cè)器概述光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院Co

42、llege Of Optoelectric Science and Engineering1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 2.2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)3.3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)4.4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱為率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 非本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征光電導(dǎo)效應(yīng) 本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光

43、電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)( (雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)) ) 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 本征吸收本征吸收 1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo) )(p0n0dpnep0n0ppnnednpenp 暗電導(dǎo)率：暗電導(dǎo)率： 亮電導(dǎo)率：亮電導(dǎo)率： 光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率： 光電導(dǎo)率的相對(duì)值： p0n0pndpnpn00d)1 (pbnnb1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo) 光電導(dǎo)率的相對(duì)值： p0n0pndpnpn00d)1 (pbnnb要制成（相對(duì)）光電導(dǎo)高的器件，應(yīng)該使n0和p0有較小數(shù)值。因此，光電導(dǎo)器件一般是由高阻材料制成或者在低溫下使用。 1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 本征光電導(dǎo)本征

44、光電導(dǎo) dnpenp 光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率： 非本征光電導(dǎo)非本征光電導(dǎo) 光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率： ndnpdpeNePnp型型光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 2.2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)3.3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)4.4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) N PPN結(jié)結(jié)光 一塊半導(dǎo)體，一塊半導(dǎo)體， P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界面稱為區(qū)的交界面稱為PNPN結(jié)。結(jié)。PNPN結(jié)結(jié)受到光照時(shí)，可在受到光照時(shí)，可在P

45、NPN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱為象則稱為光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1)PN1)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)擴(kuò) 散散 形成：離子區(qū)形成：離子區(qū) 耗盡區(qū)耗盡區(qū) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 阻擋層阻擋層 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) (結(jié)電場(chǎng)結(jié)電場(chǎng))濃度差異濃度差異E2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 漂漂 移移 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) 自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)E E擴(kuò)散與漂移擴(kuò)散與漂移方向相反方向相反2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)散擴(kuò)散=漂移漂移 平衡平衡 PNPN結(jié)結(jié)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)

46、院College Of Optoelectric Science and Engineering2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)1)PN1)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 （多子）擴(kuò)散（多子）擴(kuò)散 （少子）漂移（少子）漂移 濃度差異濃度差異內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 摘自教育部新世紀(jì)摘自教育部新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)絡(luò)課程電子技電子技術(shù)術(shù)大連海事大大連海事大學(xué)制作學(xué)制作2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)能帶與勢(shì)壘 結(jié)合前結(jié)合前結(jié)合后結(jié)合后費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶或

47、價(jià)帶的相對(duì)位置由材料摻雜決定費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶或價(jià)帶的相對(duì)位置由材料摻雜決定一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)能帶與勢(shì)壘 結(jié)合后結(jié)合后一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 例如：例如： 長(zhǎng)沙長(zhǎng)沙 就業(yè)率較低，收入較低就業(yè)率較低，收入較低 深圳深圳 就業(yè)率較高，收入較高就業(yè)率較高，收入較高 人才怎樣流動(dòng)？人才怎樣流動(dòng)？2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)能帶與勢(shì)壘* E電場(chǎng)力電場(chǎng)力類比類比: : 小球滾上山坡小球滾上山坡速度方向速度方向重力分力重力分力mgh3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流

48、方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)偏壓：偏壓：外加在外加在PNPN結(jié)兩端的電壓結(jié)兩端的電壓方向由方向由P P區(qū)指向區(qū)指向N N區(qū)區(qū) 正向電流：正向電流：正向偏壓正向偏壓:負(fù)離子數(shù)減少負(fù)離子數(shù)減少正離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容 正向偏壓正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度作用下，耗盡區(qū)寬度變小變小3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容T/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：正向偏壓正向偏壓 繼續(xù)增大，耗盡層越來(lái)越薄繼續(xù)增大，耗盡層越來(lái)越薄反向偏壓

49、反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容 反向偏壓反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度作用下，耗盡區(qū)寬度變大變大反向偏壓反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容反向電流反向電流: 數(shù)值較??？數(shù)值較??？光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and EngineeringPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦哉越逃啃率兰o(jì)摘自教育部新

50、世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)絡(luò)課程電子技電子技術(shù)術(shù)大連海事大大連海事大學(xué)制作學(xué)制作3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容T/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：正向電流和反向電流：正向電流和反向電流：3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容耗盡區(qū)寬度：耗盡區(qū)寬度：1/ 2adDad2)NNWUUeN N（單位面積單位面積結(jié)電容：結(jié)電容：1/2adadD2e N NCWNNUU（）減小結(jié)電容減小結(jié)電容對(duì)提高光伏器件的響應(yīng)速度有重要的意義！對(duì)提高光伏器件的響應(yīng)速度有重要的意義！ 2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)4)PN4)

51、PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 平均擴(kuò)散長(zhǎng)度平均擴(kuò)散長(zhǎng)度 電子電子空穴對(duì)分離空穴對(duì)分離電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)光光 照照光生電勢(shì)差光生電勢(shì)差 討論：討論： 光電轉(zhuǎn)換時(shí)間光電轉(zhuǎn)換時(shí)間 光生電動(dòng)勢(shì)與光電流光生電動(dòng)勢(shì)與光電流 光電流方向光電流方向光生電動(dòng)勢(shì)方向光生電動(dòng)勢(shì)方向光電流方向光電流方向與普通與普通二極管電流相反二極管電流相反4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 光電流光電流 e/0p1UkTIIeI（）光照下光照下PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程： 普通二極管電流普通二極管電流4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)思考題：思考題：PN結(jié)加正向偏壓，如何影響光伏效應(yīng)？結(jié)加正向偏壓，

52、如何影響光伏效應(yīng)？正向偏壓：正向偏壓：4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 結(jié)論：結(jié)論：PN結(jié)加正向偏壓，不利于結(jié)區(qū)光生電子、結(jié)加正向偏壓，不利于結(jié)區(qū)光生電子、空穴對(duì)的分離，光電效應(yīng)空穴對(duì)的分離，光電效應(yīng)不明顯不明顯。4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng)總總 結(jié)：結(jié)：光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)光生電流（光電流）光生電流（光電流）正反向偏壓對(duì)光電效應(yīng)的影響正反向偏壓對(duì)光電效應(yīng)的影響光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光照下光照下PNPN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng)PNPN結(jié)受到光照時(shí)，若入射光子能量結(jié)受到光照時(shí)，若入射光子能量大于材料禁帶寬度，可在大于材料禁帶寬度，可在PNPN結(jié)的兩結(jié)的兩

53、端產(chǎn)生端產(chǎn)生光生電勢(shì)差光生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。為光伏效應(yīng)。 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 2.2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)3.3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)4.4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)。 又稱又稱外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。逸出

54、物質(zhì)表面的電子。逸出物質(zhì)表面的電子叫做叫做光電子光電子。 1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)1)1)愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 Whvme2max21Whch0Whc0m24. 10WW-逸出功逸出功 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)（長(zhǎng)波限）（長(zhǎng)波限） m24.10W光電發(fā)射光電發(fā)射本征吸收本征吸收m24.1gg0EEhc雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或結(jié)論：結(jié)論：3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)截止波長(zhǎng)對(duì)比截止波長(zhǎng)對(duì)比波長(zhǎng)增大波長(zhǎng)增大光電發(fā)射光電發(fā)射雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收本征吸收本征吸收3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)2)2)金屬

55、逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值 金屬逸出功金屬逸出功: : f0EEW半導(dǎo)體發(fā)射閾值半導(dǎo)體發(fā)射閾值: :？基本概念：基本概念：真空能級(jí)真空能級(jí)E0 電磁真空中電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電子親和勢(shì)電子親和勢(shì)EA 真空能級(jí)與導(dǎo)帶真空能級(jí)與導(dǎo)帶底底能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì)能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì) 2)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值 電子親和勢(shì)電子親和勢(shì) 的物理意義？的物理意義？3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)2)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值 金屬逸出功金屬逸出功: :

56、f0EEW半導(dǎo)體發(fā)射閾值半導(dǎo)體發(fā)射閾值: :AgthEEE光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 2.2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)3.3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)4.4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院College Of Optoelectric Science and Engineering1.3.1 1.3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)4.4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律量子效率

57、量子效率轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換規(guī)律適應(yīng)范圍：適應(yīng)范圍：光子光子探測(cè)器探測(cè)器4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律量子效率：量子效率： 的光子數(shù)每秒入射波長(zhǎng)為數(shù)每秒產(chǎn)生的平均光電子100 原因：原因：反射、透射、散射等反射、透射、散射等 探測(cè)器類型（）光電導(dǎo)探測(cè)器（本征）60光電導(dǎo)探測(cè)器（非本征） 30光伏探測(cè)器60光電子發(fā)射探測(cè)器10 量子效率量子效率進(jìn)一步分析：進(jìn)一步分析： 距表面位置距表面位置x處處x的長(zhǎng)的長(zhǎng)度內(nèi)，單位時(shí)間度內(nèi)，單位時(shí)間吸收吸收的的光子數(shù)為：光子數(shù)為： 0(1)( )xr exNxxhvhv單位體積內(nèi)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率（單位體積內(nèi)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率（m3s1） 0y zy z( )

58、(1)xNg xr el lxhvl l4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律 量子效率量子效率進(jìn)一步分析：進(jìn)一步分析： 單位體積內(nèi)電子空穴單位體積內(nèi)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率（對(duì)的產(chǎn)生率（m3s1） 0y zy z( )(1)xNg xr el lxhvl lx方向的電流密度（方向的電流密度（A/m2）為）為 000y z0y z( )d(1)d(1)(1)xxxllxlJeg xxr eexhvl lr eehvl l4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律 量子效率量子效率進(jìn)一步分析：進(jìn)一步分析： x方向的電流密度（方向的電流密度（A/m2）為）為 000y z0y z( )d(1)d(1)(

59、1)xxxllxlJeg xxr eexhvl lr eehvl ly z0/(1)(1)/xlJ l lerehv4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律 量子效率量子效率進(jìn)一步分析：進(jìn)一步分析： y z0/(1)(1)/xlJ l lerehv提高量子效率：提高量子效率： 反射率反射率r低，低， 吸收系數(shù)吸收系數(shù)大，大， 吸收厚長(zhǎng)度吸收厚長(zhǎng)度lx要大要大例如，在探測(cè)器入射面鍍上高透射率的例如，在探測(cè)器入射面鍍上高透射率的抗反射層抗反射層； 利用微型諧振腔的光場(chǎng)諧振以利用微型諧振腔的光場(chǎng)諧振以增強(qiáng)吸收增強(qiáng)吸收等。等。中科院中科院已研制出量子效率高達(dá)已研制出量子效率高達(dá)85.6GaN基基PIN

60、結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器 4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律 y z0/(1)(1)/xlJ l lerehv000y z0y z( )d(1)d(1)(1)xxxllxlJeg xxr eexhvl lr eehvl lp0eIhv光子探測(cè)器光子探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換基本規(guī)律：光電轉(zhuǎn)換基本規(guī)律： （1 1）光電流與入射光平均功率成正比）光電流與入射光平均功率成正比（2 2）光電流與光電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比）光電流與光電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比 光子探測(cè)器為光子探測(cè)器為平方律器件平方律器件4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律 p0eIh vp0eIMhv光照時(shí)每產(chǎn)生一個(gè)光電子，光照時(shí)每產(chǎn)生一個(gè)光