第3章探測器的基本原理

1、光輻射探測器的理論基礎(chǔ)光輻射探測器的理論基礎(chǔ)簡介簡介 光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應的器件。探測器分類：度量物理效應的器件。探測器分類： 光電探測器光電探測器 真空光電器件：真空光電器件：光電管、光電倍增管、 真空攝像管、變像管、象增強器。 固體光電器件固體光電器件：光敏電阻、光電池等等 熱探測器熱探測器： 熱電偶熱電堆、熱釋電探測器熱電偶熱電堆、熱釋電探測器等等等等3.1 3.1 半導體基礎(chǔ)半導體基礎(chǔ)回憶回憶. 導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體 金屬一般都是導體。金屬一般都是導體。絕緣體：絕緣體

2、：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為絕緣體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。鎵和一些硫化物、氧化物等。一、半導體的結(jié)構(gòu)一、半導體的結(jié)構(gòu) 電子器件所用的半導體具有晶體結(jié)構(gòu)，電子器件所用的半導體具有晶體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)是晶體材料。大多數(shù)是晶體材料。 晶體分為晶體分為單晶單晶和和多晶多晶。單晶：單晶：在一塊材料中原子全部按照有規(guī)則的周在一塊材料中原子全部按照有規(guī)則的周期性排列，這種晶

3、體成為單晶。期性排列，這種晶體成為單晶。多晶：多晶：只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開，這種材料稱為多晶。界隔開，這種材料稱為多晶。1 1、電子的共有化運動、電子的共有化運動 在孤立原子中電子遵守在孤立原子中電子遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原理。能量最低原理。泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中同一能級的核外電子原子中同一能級的核外電子軌道中只能容納自旋相反的兩個電子，每個電軌道中只能容納自旋相反的兩個電子，每個電子層中可能容納軌道數(shù)是子層中可能容納軌道數(shù)是n n2

4、 2個、每層最多容納個、每層最多容納電子數(shù)是電子數(shù)是2n2n2 2 。能量最低原理：能量最低原理：核外電子總是先占有能量最低核外電子總是先占有能量最低的軌道，只有能量最低的軌道占滿后，電子才的軌道，只有能量最低的軌道占滿后，電子才依次進入能量較高的軌道。依次進入能量較高的軌道。 在半導體中，原子之間距離很近，使原子在半導體中，原子之間距離很近，使原子的各個殼層之間有不同程度的交疊。以的各個殼層之間有不同程度的交疊。以硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)為例：硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)為例：電子共有化運動的過程 殼層的交疊使原子不再局限于某一個原子上，它殼層的交疊使原子不再局限于某一個原子上，它可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼

5、層上去，也可能從相可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子殼層上去，這樣原子有可鄰原子運動到更遠的原子殼層上去，這樣原子有可能在整個晶體中運動，晶體中電子的這種運動稱為能在整個晶體中運動，晶體中電子的這種運動稱為電子的電子的共有化運動共有化運動。共有化運動只能共有化運動只能在原子中相似的在原子中相似的殼層間進行殼層間進行2 2、能帶結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)(energy band)(energy band) 量子力學計算表明，固體中若有量子力學計算表明，固體中若有N N個個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級原來孤立原

6、子的每一個能級, ,變成了變成了N N條靠條靠得很近的能級得很近的能級, ,稱為能帶。稱為能帶。能帶的寬度記作能帶的寬度記作 E ，數(shù)量級，數(shù)量級為為 EeV。 若若N1023,則能帶中兩能級的則能帶中兩能級的間距約間距約10-23eV。一般規(guī)律：一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，越是外層電子，能帶越寬， E 越大。越大。 2. 點陣間距越小，能帶越寬，點陣間距越小，能帶越寬， E 越大。越大。 3. 兩個能帶有可能重疊。兩個能帶有可能重疊。離子間距離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖能帶重疊示意圖原子能級分裂成能帶的示意圖1.1.滿帶滿帶：能帶中各能級都被電子填滿。：能帶中各能級

7、都被電子填滿。滿帶中的電子不能起導電作用滿帶中的電子不能起導電作用 晶體加外電場時，電子只能在帶內(nèi)不同能晶體加外電場時，電子只能在帶內(nèi)不同能級間交換，不能改變電子在能帶中的總體級間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。分布。滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一能級轉(zhuǎn)移時，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，能級轉(zhuǎn)移時，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會產(chǎn)生定向電流，不能起導電作因此，不會產(chǎn)生定向電流，不能起導電作用。用。2.2.空帶空帶：所有能級均未被電子填充的能帶。所有能級均未被電子填充的能帶。由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下空

8、著；況下空著；當有激發(fā)因素當有激發(fā)因素( (熱激發(fā)、光激發(fā)熱激發(fā)、光激發(fā)) )時，價時，價帶中的電子可被激發(fā)進入空帶；帶中的電子可被激發(fā)進入空帶；在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導帶。成電流。所以，空帶也是導帶。3.3.導帶導帶：被電子部分填充的能帶。被電子部分填充的能帶。在外電場作用下，電子可向帶內(nèi)未被填在外電場作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。充的高能級轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。 價帶價帶：價電子能級分裂后形成的能帶。價電子能級分裂后形成的能帶。 有的晶體的價帶是導帶；有的晶體的價帶是導帶；有的晶體的價帶也可能是

9、滿帶。有的晶體的價帶也可能是滿帶。價電子：價電子：原子中最外層的電子。原子中最外層的電子。 4.4.禁帶禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充。不能填充。禁帶的寬度對晶體的禁帶的寬度對晶體的導電性有重要的作用。導電性有重要的作用。若上下能帶重疊，其若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。間禁帶就不存在。 滿帶滿帶 空帶空帶 禁帶禁帶E允帶：允帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶。允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶。禁帶：禁帶：允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，這個范圍稱為禁帶。這個范圍稱為禁帶。滿帶：滿帶：被電子占滿的允帶稱為滿帶。滿帶不導被

10、電子占滿的允帶稱為滿帶。滿帶不導電。電。價帶：價帶：晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。價電子：價電子：原子中最外層的電子。原子中最外層的電子。 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對溫度在絕對溫度T=0K時，時，所有的價電子都被共價鍵所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不緊緊束縛在共價鍵中，不會成為會成為自由電子自由電子，因此本因此本征半導體的導電能力很弱征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。，接近絕緣體。（1） 本征半導體 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體晶體?；瘜W成分純凈的半導體晶體。

11、制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常，常稱為稱為“九個九個9”。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當溫度升高或受到當溫度升高或受到光的照射時，束縛光的照射時，束縛電子能量增高，有電子能量增高，有的電子可以掙脫原的電子可以掙脫原子核的束縛，而參子核的束縛，而參與導電，成為與導電，成為自由自由電子電子。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由電子產(chǎn)生的自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空位，稱為空穴空穴。 可見本

12、征激發(fā)同時產(chǎn)生可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對。 外加能量越高（外加能量越高（溫度溫度越高），產(chǎn)生的電子空越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。穴對越多。與本征激發(fā)相反的與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象現(xiàn)象復合復合在一定溫度下，本征激在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。對的濃度一定。常溫常溫300K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：310cm104 . 1鍺：鍺：313cm105 . 2自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴電子空穴對電子空穴對自由電子自由電子 帶負電荷帶負電荷 電子流電子流

13、+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子E總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制導電機制導帶：導帶：比價帶能量更高的允許帶稱為導帶。比價帶能量更高的允許帶稱為導帶。導帶中的電子稱為導帶中的電子稱為自由電子自由電子。價帶中出現(xiàn)電子的空穴稱為價帶中出現(xiàn)電子的空穴稱為自由空穴自由空穴。自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為載流子載流子。 禁帶寬度小者，電子容易躍遷到導帶，所禁帶寬度小者，電子

14、容易躍遷到導帶，所以導電性能高。以導電性能高。 鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導電性隨鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導電性隨溫度變化比硅更顯著。溫度變化比硅更顯著。(2). 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體. N 型半導體型半導體四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、G等，摻入少量五價等，摻入少量五價的雜質(zhì)（的雜質(zhì)（impurity）元素（如）元素（如P、As 等）形成電等）形成電子型半導體子型半導體,稱稱 n 型半導體。型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠導帶處禁帶中緊靠導帶處, ED10-2eV，極易形成電子，極易形成電子導電。導電。該

15、能級稱為施主（該能級稱為施主（donor）能級。）能級。 n 型半導體型半導體 在在n 型半導體中：型半導體中： 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子導帶導帶價帶價帶施主能級施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子 施主施主(donor)(donor)能級能級：這種雜質(zhì)能級因靠這種雜質(zhì)能級因靠近導帶，雜質(zhì)價電子極易向?qū)кS遷。因近導帶，雜質(zhì)價電子極易向?qū)кS遷。因向?qū)Ч杂呻娮樱赃@種雜質(zhì)能級向?qū)Ч杂呻娮?，所以這種雜質(zhì)能級稱施主能級。稱施主能級。 因攙雜因攙雜( (即使很少即使很少) )，會使導帶中自由，會使導帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導體空帶中的電

16、子的濃度比同溫下純凈半導體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強了半導體的導電性能。了半導體的導電性能。 其導電機制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后其導電機制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導帶而形成的。躍遷到導帶而形成的。 2.型半導體型半導體四價的本征半導體四價的本征半導體Si、Ge 等，摻入少量三價的等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如等）形成空穴型半導體，稱雜質(zhì)元素（如等）形成空穴型半導體，稱 p 型半導體。型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠價帶處，級在禁帶中緊靠價帶處， ED10-2eV，極易

17、，極易產(chǎn)生空穴導電。產(chǎn)生空穴導電。該能級稱受主（該能級稱受主（acceptor）能級。）能級。導帶導帶Ea價帶價帶受主能級受主能級 P型半導體型半導體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在在p型半導體中：型半導體中： 空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子電子電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子這種雜質(zhì)的能級緊靠價帶頂處，這種雜質(zhì)的能級緊靠價帶頂處， E EA10A10-1-1eVeV，價帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級，使價帶價帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級，使價帶中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級因接受電子而稱中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級因接受電子而稱受主受主(acceptor)(acceptor)能級能級。這種攙雜使價帶中的空穴

18、的濃度較純凈半導這種攙雜使價帶中的空穴的濃度較純凈半導體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導體的導電性能增強。這種雜質(zhì)半導體稱空穴體的導電性能增強。這種雜質(zhì)半導體稱空穴型半導體，或型半導體，或p p型半導體。型半導體。 導電機制：主要是由價帶中空穴的運動形成導電機制：主要是由價帶中空穴的運動形成的。的。雜質(zhì)半導體的示意圖雜質(zhì)半導體的示意圖+N型半導體多子多子電子電子少子少子空穴空穴P型半導體多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度少子濃度與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)多子濃度多子濃度與溫度無關(guān)與溫度無關(guān)二、熱平衡條件下的載流子的濃度二、熱平衡條件下的載流子的濃度載流

19、子濃度：載流子濃度：是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。激發(fā)：激發(fā)：電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導帶形成自由電子，同能量，從價帶躍遷到導帶形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。復合：復合：在熱激發(fā)的同時也有電子從導帶躍遷到在熱激發(fā)的同時也有電子從導帶躍遷到價帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的價帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的復合。復合。 在一定溫度下激發(fā)和復合形成平衡，我們在一定溫度下激發(fā)和復合形成平衡，我們稱為稱為熱平衡熱平衡。1 1、能級密度、能級密度 指在導帶和價帶內(nèi)單位體積，單位能

20、量能級數(shù)目，指在導帶和價帶內(nèi)單位體積，單位能量能級數(shù)目，用用N(E)N(E)表示。表示。導帶內(nèi)的能級密度：導帶內(nèi)的能級密度：價帶內(nèi)的能級密度：價帶內(nèi)的能級密度：21c23e3EEm2h4EN/*)()()(21v23p3EEm2h4EN/*)()()(N(E)N(E)為在電子能量為在電子能量E E處的能級密度。處的能級密度。h h為普朗克常數(shù)。為普朗克常數(shù)。2 2、費米能級電子占據(jù)率、費米能級電子占據(jù)率電子遵循費米電子遵循費米- -狄拉克（狄拉克（Fermi-DiracFermi-Dirac）統(tǒng)計統(tǒng)計分布規(guī)律。能量為分布規(guī)律。能量為E E的一個獨立的電子態(tài)被的一個獨立的電子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾

21、率為一個電子占據(jù)的幾率為 電子的費米分布函數(shù)TkEEn0Fe11Ef為波爾茲曼常數(shù)0k E EF F稱為費米能級或費米能量，它和溫稱為費米能級或費米能量，它和溫度、半導體材料的導電類型、雜質(zhì)的含量度、半導體材料的導電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點的選取有關(guān)。以及能量零點的選取有關(guān)。 E EF F是一個很重是一個很重要的物理參數(shù)，只要知道了要的物理參數(shù)，只要知道了E EF F的數(shù)值，在的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定。布就完全確定。費米分布函數(shù)的特性費米分布函數(shù)的特性 當當T=0K T=0K 時：時： 若若EEEE EF F, ,則則f

22、(E)=0f(E)=0 即在絕對零度時，能量比費米能量小的量子態(tài)即在絕對零度時，能量比費米能量小的量子態(tài) 被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子；而能量比上都有電子；而能量比EFEF大的量子態(tài)，被電子占據(jù)大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒有電子，是空的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒有電子，是空的。故在絕對零度時，費米能級的。故在絕對零度時，費米能級EFEF可看成量子態(tài)是可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。否被電子占據(jù)的一個界限。當當T0KT0K時：時：若若EEE1/2f(E)1/2若若E=EE=EF F, ,則則f(

23、E)=1/2f(E)=1/2若若EEEEF F, ,則則f(E)1/2f(E)1/2上述結(jié)果說明：上述結(jié)果說明： 當系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，如果量子態(tài)的能當系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，如果量子態(tài)的能量比費米能級低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率量比費米能級低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費米能級高，大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費米能級高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。而當量子態(tài)的能量等于費米能級時，則該量子態(tài)而當量子態(tài)的能量等于費米能級時，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。E

24、 EF F的意義的意義: : E EF F的位置比較直觀地反映了電子占的位置比較直觀地反映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標志了電子填充能據(jù)電子態(tài)的情況。即標志了電子填充能級的水平。級的水平。E EF F越高，說明有較多的能量越高，說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。 在強在強p p型中，導帶中電子最少，價帶中電子型中，導帶中電子最少，價帶中電子也最少，所以可以說，強也最少，所以可以說，強p p型半導體中，電子型半導體中，電子填充能帶的水平最低，填充能帶的水平最低，E EF F也最低。弱也最低。弱p p型中，型中，導帶和價帶電子稍多，能帶被電子填充的水平導帶和價帶電子

25、稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，所以也稍高，所以E EF F也升高了。無摻雜，導帶和價也升高了。無摻雜，導帶和價帶中載流子數(shù)一樣多，費米能級在禁帶中線附帶中載流子數(shù)一樣多，費米能級在禁帶中線附近。弱近。弱n n型，導帶及價帶電子更多了，能帶被型，導帶及價帶電子更多了，能帶被填充水平也更高，填充水平也更高， E EF F升到禁帶中線以上，到升到禁帶中線以上，到強強n n型，能帶被電子填充水平最高，型，能帶被電子填充水平最高， E EF F也最高。也最高。 EC Ei Ev 強強p型型弱弱p型型本征型本征型強強n型型弱弱n型型在價帶中，知道了電子的占據(jù)概率，可求出空穴在價帶中，知道了電子的占據(jù)概

26、率，可求出空穴的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：TkEEnp0Fe11Ef1f)(E)在導帶中能級為在導帶中能級為E E的電子濃度等于的電子濃度等于E E處的能處的能級密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：級密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：)()()(EfENEnn3 3、平衡載流子濃度、平衡載流子濃度在一定溫度在一定溫度T T下，產(chǎn)生過程與復合過程之間下，產(chǎn)生過程與復合過程之間處于動態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫處于動態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)。 處于熱平衡狀態(tài)的載流子處于熱平衡狀態(tài)的載流子n n和和p p稱為稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。它們保

27、持著一定的數(shù)值。它們保持著一定的數(shù)值。 在整個導帶中總的電子濃度是在導帶在整個導帶中總的電子濃度是在導帶底底EcEc以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分結(jié)果為：結(jié)果為：TkEE3230p0vFehTkm22p*同同理理TkEE3230n0fcehTkm22n*價帶頂有效狀態(tài)密度導帶底有效狀態(tài)密度令3230*pv3230*nchTkm22NhTkm22N 4eNp3eNnTkEEvTkEEc0vF0Fc則則將將(3)(4)(3)(4)兩式相乘得到兩式相乘得到: :TkEgvcTkEEvc00vceNNeNNpn由此得到：由此得到：（1 1）在每種半導體中平衡載流子的電子數(shù)

28、和空）在每種半導體中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費米能級無關(guān)穴數(shù)乘積與費米能級無關(guān)（2 2）禁帶寬度）禁帶寬度EgEg越小，乘積越大，導電性越好越小，乘積越大，導電性越好（3 3）半導體中的載流子濃度隨溫度的增大而增）半導體中的載流子濃度隨溫度的增大而增大。大。 可見，電子和空穴的濃度乘積和費米能可見，電子和空穴的濃度乘積和費米能級無關(guān)。對一定的半導體材料，乘積只決定級無關(guān)。對一定的半導體材料，乘積只決定于溫度于溫度T T，與所含雜質(zhì)無關(guān)；而在一定溫度，與所含雜質(zhì)無關(guān)；而在一定溫度下對不同的半導體材料，因禁帶寬度不同下對不同的半導體材料，因禁帶寬度不同而不同。而不同。 這個關(guān)系式不論是本征

29、半導體還是雜質(zhì)這個關(guān)系式不論是本征半導體還是雜質(zhì)半導體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導半導體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體都普通適用，在討論許多實際問題時常常體都普通適用，在討論許多實際問題時常常引用。引用。 還說明，對一定的半導體材料，在一定還說明，對一定的半導體材料，在一定的溫度下，的溫度下，npnp的乘積是一定的。換言之，當?shù)某朔e是一定的。換言之，當半導體處于熱平衡狀態(tài)時，載流子濃度的乘半導體處于熱平衡狀態(tài)時，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃度就要減小；反之亦然。度就要減??；反之亦然。 （1）當材料一定時，）當材料一定時，n0、p

30、0隨隨EF和和T而而變化；變化； （2）當溫度）當溫度T一定一定時，時， n0p0僅僅僅僅與本征材料相關(guān)。與本征材料相關(guān)。TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEgvc000eNNpn由下式可知由下式可知4 4、 本征半導體的載流子濃度本征半導體的載流子濃度本征半導體：本征半導體：滿足滿足n n0 0=p=p0 0=ni=ni的半導體就是的半導體就是本征半導體。本征半導體。 在室溫（在室溫（RT=300KRT=300K）下：）下： ni ni （GeGe）2.12.110101313cmcm-3 -3 ni ni （SiSi）1.31.310101010cm-cm-3 3 ni

31、ni （GaAsGaAs）1.11.110107 7cmcm-3-3 在熱平衡態(tài)下，半導體是電中性的： n0=p0 TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEEvTkEEc0vF0FceNeN即得到即得到： 之積只與本征材料相關(guān)與式說明非簡并半導體的00pn6 4NNln2TkENNln2TkEE21Ecv0icv0vcF 就得到本征載流子濃度或式又代回324 6npn2i00且Tk2EvcooiogeNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconducto

32、rs由（由（5 5）式可以見到：）式可以見到：1、溫度一定時，Eg大的材料，ni小； 2、對同種材料， ni隨溫度T按指數(shù)關(guān)系上升。 Tk2Evc00i0geNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconductors5 5、摻雜半導體的載流子濃度：、摻雜半導體的載流子濃度：N N型半導體，施主原子的多余價電子易進型半導體，施主原子的多余價電子易進入導帶，使導帶中的自由電子數(shù)目增入導帶，使導帶中的自由電子數(shù)目增多高于本征半導體的電子濃度，則分多高于本征半導體的電子濃度，

33、則分別為：別為：d2ididNnpNpNnNdNd為為n n型半導體中摻入的施主原子的濃度型半導體中摻入的施主原子的濃度N型半導體的費米能級：idiidfifnnNkTEnNkTEElnln由上式可見，由上式可見，n n型半導體中的費米能級位于型半導體中的費米能級位于禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央越遠，愈靠近導帶底。禁帶中央越遠，愈靠近導帶底。P P型半導體，受主原子易從價帶中獲得電子，型半導體，受主原子易從價帶中獲得電子，價帶中的自由電子濃度將高于本征半導價帶中的自由電子濃度將高于本征半導體中的自由空穴濃度。設(shè)摻入的受主原體中的自由空穴濃

34、度。設(shè)摻入的受主原子的濃度為子的濃度為NaNa，則，則a2iaiaNnnNnNpP型半導體的費米能級：iaifpnNkTEEln由上式可見，由上式可見，p p型半導體中的費米能級位于型半導體中的費米能級位于禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央越遠，愈靠近價帶頂。禁帶中央越遠，愈靠近價帶頂。三、半導體中的非平衡載流子三、半導體中的非平衡載流子 半導體器件通過外部注入載流子或用光激半導體器件通過外部注入載流子或用光激發(fā)方式而使載流子濃度超過熱平衡時的濃度，發(fā)方式而使載流子濃度超過熱平衡時的濃度，這些超出部分的載流子通常稱為非平衡載流子這些超出部分的載

35、流子通常稱為非平衡載流子或過剩載流子?；蜻^剩載流子。 相應的：相應的：n=n0+n=n0+n n p=p0+ p=p0+p p 且：且：n=n=p p 非平衡載流子：非平衡載流子： n n 和和p p（過剩載流子）（過剩載流子）1 1、材料的光吸收、材料的光吸收（1 1）本征吸收）本征吸收 對于本征半導體在一定溫度下載流子濃度達對于本征半導體在一定溫度下載流子濃度達到平衡后，再受光照時，價帶中的電子吸收光到平衡后，再受光照時，價帶中的電子吸收光子能量而遷移到導帶，在價帶中留下空穴，這子能量而遷移到導帶，在價帶中留下空穴，這時電子空穴的濃度都增大，則這個過程我們時電子空穴的濃度都增大，則這個過程

36、我們稱為本征吸收。稱為本征吸收。要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬度，因此在長波方向存在一個界限：度，因此在長波方向存在一個界限：)(.mE241Ehcgg0（2 2）雜質(zhì)吸收）雜質(zhì)吸收 摻有雜質(zhì)的半導體在光照下，中性施主的束縛電摻有雜質(zhì)的半導體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷導帶。同樣中性受主的束縛子可以吸收光子而躍遷導帶。同樣中性受主的束縛空穴也可以吸收光子而躍遷到導帶，這種吸收為雜空穴也可以吸收光子而躍遷到導帶，這種吸收為雜質(zhì)吸收。質(zhì)吸收。 施主釋放束縛電子到導帶，受主釋放束縛空穴到施主釋放束縛電子到導帶，受主釋放束縛空穴到

37、價帶所需的能量稱為電離能。雜質(zhì)吸收光的長波限：價帶所需的能量稱為電離能。雜質(zhì)吸收光的長波限：)(.)(.mE241EhcmE241Ehcaa0dd0（3 3）其他吸收）其他吸收其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，引起光電導現(xiàn)象主要是本征吸收雜質(zhì)吸引起光電導現(xiàn)象主要是本征吸收雜質(zhì)吸收。收。2 2、非平衡載流子濃度、非平衡載流子濃度 光照射半導體材料時，在本征半導體光照射半導體材料時，在本征半導體中電子吸收能量大于禁帶寬度的光子，中電子吸收

38、能量大于禁帶寬度的光子，并產(chǎn)生了電子空穴對即光生載流子。如并產(chǎn)生了電子空穴對即光生載流子。如果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，而載流子濃度因復合而減小。而載流子濃度因復合而減小。復合的種類：間接直接復合。復合的種類：間接直接復合。直接復合：直接復合：晶格中運動的自由電子直接由晶格中運動的自由電子直接由導帶回到價帶與自由空穴復合。導帶回到價帶與自由空穴復合。間接復合：間接復合：自由電子自由空穴通過禁帶自由電子自由空穴通過禁帶中的復合中心間接進行復合。中的復合中心間接進行復合。復合對光生載流子濃度的影響？復合對光生載流子濃度的影響？光生載流子的平均生存時間稱為

39、光生載流子的壽命。光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命。半導體中，光生電子空穴對的直接復合率與載流子半導體中，光生電子空穴對的直接復合率與載流子濃度成正比。濃度成正比。解得方程：解得方程：dttnddttdn)()(/)()()(ttBne0ne0ntn0)(0n為光照剛停時得光生載流子濃度為光照剛停時得光生載流子濃度， )/(0Bn1為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。四、載流子得擴散與漂移四、載流子得擴散與漂移1 1、擴散、擴散 當材料得局部位置收到光照，材料吸收當材料得局部位置收到光照，材料吸收光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置得載流子濃光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置

40、得載流子濃度就比平均濃度高。這時電子將從濃度高得度就比平均濃度高。這時電子將從濃度高得點向濃度低得點運動，是自己在晶體中重新點向濃度低得點運動，是自己在晶體中重新達到均勻分布，這種現(xiàn)象稱為擴散。達到均勻分布，這種現(xiàn)象稱為擴散。 單位面積得電流稱為擴散電流，正比于光單位面積得電流稱為擴散電流，正比于光生載流子得濃度梯度。生載流子得濃度梯度。擴擴散散系系數(shù)數(shù)分分別別為為電電子子（孔孔穴穴）的的密密度度矢矢量量電電子子（孔孔穴穴）擴擴散散電電流流pnpdndppdnndDDJJdtdpqDJdtdnqDJ,2 2、漂移、漂移在外電場作用下，電子向正極方向運動，空穴在外電場作用下，電子向正極方向運動，

41、空穴向負極方向運動，這種運動稱為漂移。向負極方向運動，這種運動稱為漂移。在電場中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度在電場中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度矢量為：矢量為：xppExnnEEnqJEnqJ當擴散和漂移同時存在得時候總得電子電流當擴散和漂移同時存在得時候總得電子電流密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：dtdpqDEnqJJJdtdnqDEnqJJJpppEpdpnnnEndn總電流密度為兩者之和?？傠娏髅芏葹閮烧咧?。3.2 3.2 半導體的光電效應半導體的光電效應光電效應的分類：光電效應的分類：1 1、內(nèi)光電效應：、內(nèi)光電效應： 材料在吸收光子能量后

42、，出現(xiàn)光生電子空穴，由材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電此引起電導率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應。效應。 內(nèi)光電效應制成的器件有兩大類：光電導和光生內(nèi)光電效應制成的器件有兩大類：光電導和光生伏特效應的兩大器件。含有光敏電阻，伏特效應的兩大器件。含有光敏電阻，SPRITESPRITE探測探測器、光電池、光電二極管、三極管和場效應管等。器、光電池、光電二極管、三極管和場效應管等。 2 2、外光電效應：、外光電效應： 當光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能當光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量足夠大，它和物質(zhì)中的電子互相作用，致量足夠大，它和物質(zhì)

43、中的電子互相作用，致使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。外光電效應制成的器件有：光電管，光電倍外光電效應制成的器件有：光電管，光電倍增管等。增管等。一、光電導效應一、光電導效應 當半導體材料受照時，由于對光子得吸當半導體材料受照時，由于對光子得吸收引起載流子濃度得增大，因而導致材料電收引起載流子濃度得增大，因而導致材料電導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。材料導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。材料對光得吸收有本征型和非本征型兩種。對光得吸收有本征型和非本征型兩種。本征型：本征型：光子能量大于材料禁帶寬度時，把價光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中得電子

44、激發(fā)到導帶，在價帶中留下自由帶中得電子激發(fā)到導帶，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導率得增加，即本征空穴，從而引起材料電導率得增加，即本征型光電效應。型光電效應。非本征型：非本征型：若光子激發(fā)雜質(zhì)半導體，使電子從若光子激發(fā)雜質(zhì)半導體，使電子從施主能級躍遷到導帶或從價帶躍遷到受主能施主能級躍遷到導帶或從價帶躍遷到受主能級，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材級，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材料得電導率，即非本征光電導效應。料得電導率，即非本征光電導效應。1 1、光電流、光電流 材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱電場，在樣品的垂直方向加上均勻的光照，電場，在

45、樣品的垂直方向加上均勻的光照，入射功率為常數(shù)時，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)入射功率為常數(shù)時，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)光電流。光電流。 無光照時，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃無光照時，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃度，因而樣品具有一定的度，因而樣品具有一定的暗電導率暗電導率。)(p0n00pnq 樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載流子濃度用流子濃度用n n和和p p表示。光照穩(wěn)定的條件下的表示。光照穩(wěn)定的條件下的電導率為：電導率為：附加的電導率稱之為附加的電導率稱之為光電導率光電導率，能夠產(chǎn)生光電導，能夠產(chǎn)生光電導效應的材料稱為光電導材料。效應的

46、材料稱為光電導材料。)()()(pnp0n0pnqppnnq0為為：光光電電導導率率得得到到令：令：則：則： b b為遷移比。為遷移比。光電導靈敏度光電導靈敏度定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)生的光電導率。生的光電導率。光電導靈敏度表達式光電導靈敏度表達式 Pnb)(pnbqP0R 可見，要制成光電導率高的器件，應該可見，要制成光電導率高的器件，應該使使n n0 0和和P P0 0有較小數(shù)值，因此光電導器件一般有較小數(shù)值，因此光電導器件一般是由高阻材料是由高阻材料(n(n0 0, P, P0 0較小較小) )或者在低溫下使或者在低溫下使用用(n(n0 0 ，p p0 0

47、較少較少) )0000) 1(pbnnbpenepeneRPnPn下面我們看一下光電流密度的求解：下面我們看一下光電流密度的求解：首先：首先：g g為載流子產(chǎn)生率，為載流子產(chǎn)生率， 為壽命。為壽命。若入射光功率為若入射光功率為s s，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系：，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系： gp)()(LWDhvpLWDLWDhvgss為為材材料料體體積積為為量量子子效效率率，r0sxprsxpx0 xTWDqNJhvNE1b1TLWDhvE1bqEJLVEx為光生載流子數(shù)。則為光生載流子數(shù)。則為兩極之間的渡越時間為兩極之間的渡越時間設(shè)設(shè)那么短路光電流那么短路光電流方向有均勻電場方向有均勻電

48、場若在若在,)()()(,/2 2、響應時間、響應時間（1 1）光電導馳豫過程）光電導馳豫過程 光電導材料從光照開始獲得穩(wěn)定的光電流光電導材料從光照開始獲得穩(wěn)定的光電流學要一定的時間，當光照停止后光電流逐漸學要一定的時間，當光照停止后光電流逐漸消失，這種現(xiàn)象稱為光電導馳豫現(xiàn)象。消失，這種現(xiàn)象稱為光電導馳豫現(xiàn)象。（2 2）上升響應時間）上升響應時間 光生載流子濃度上升到光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值的6363所所需的時間為光電探測器上升響應時間。此時需的時間為光電探測器上升響應時間。此時光生載流子濃度：光生載流子濃度：)exp(t1pp0 （3 3）下降時間）下降時間 光照停止以后光生載流子

49、下降到穩(wěn)光照停止以后光生載流子下降到穩(wěn)定值的定值的3737時所需要的時間為下降時間。時所需要的時間為下降時間。此時光生載流子濃度的變化為：此時光生載流子濃度的變化為：)exp(tpp0 光電導材料在弱光照時，表現(xiàn)為線性光電導材料在弱光照時，表現(xiàn)為線性光電導，即光電導與入射光功率成正比。光電導，即光電導與入射光功率成正比。 而在強光照時表現(xiàn)為拋物線光電導，而在強光照時表現(xiàn)為拋物線光電導，即光電導與入射光功率的平方根成正比，即光電導與入射光功率的平方根成正比，定義其上升下降時間，相當于上升到穩(wěn)定義其上升下降時間，相當于上升到穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的7676，下降到穩(wěn)態(tài)值的，下降到穩(wěn)態(tài)值的5050。 影響光譜

50、響應有兩個主要因素：光電導材料對影響光譜響應有兩個主要因素：光電導材料對各波長輻射的各波長輻射的吸收系數(shù)和表面復合率吸收系數(shù)和表面復合率。 響應有一峰值，而無論向長波或短波方向，響應響應有一峰值，而無論向長波或短波方向，響應都會降低。定性分析其原因：都會降低。定性分析其原因： 在材料不同深度在材料不同深度x x處獲得的光功率為處獲得的光功率為P P=P=P0 0(1- )(1- )。在較長波長上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生在較長波長上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，復合率小的電子濃度較少，復合率小，一部分輻射會穿過，一部分輻射會穿過材料，因此靈敏度低。材料，因此靈敏度低。x

51、e 隨著波長減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎隨著波長減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導率達到全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導率達到峰值。一般峰值靠近長波限，實際定義長波限為峰峰值。一般峰值靠近長波限，實際定義長波限為峰值一半處所對應的波長。值一半處所對應的波長。 當波長進一步減小時，吸收系數(shù)進一步增加，光當波長進一步減小時，吸收系數(shù)進一步增加，光子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表面附近，表面處的載流子復合率增加，光生載流子面附近，表面處的載流子復合率增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降。

52、靈敏度減小。壽命減低，量子效率也隨之下降。靈敏度減小。 100 相對靈敏度(%) 二、二、p-np-n結(jié)光伏效應結(jié)光伏效應 光生伏特效應是指：當兩種半導體材料光生伏特效應是指：當兩種半導體材料或金屬或金屬/ /半導體相接觸形成勢壘，當外界光半導體相接觸形成勢壘，當外界光照射時，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附照射時，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象近形成光生電壓的現(xiàn)象. . 利用光生伏特效應制成的光電探測器叫利用光生伏特效應制成的光電探測器叫做勢壘型光電探測器。做勢壘型光電探測器。 1 1、半導體、半導體pnpn結(jié)結(jié) 在在p p型半導體內(nèi)部，空穴濃度高，費米能型半導體內(nèi)部，空穴濃度

53、高，費米能級位置相對較低。級位置相對較低。 在在n n型半導體內(nèi)部，電子濃度高，費米能型半導體內(nèi)部，電子濃度高，費米能級位置相對較高。級位置相對較高。 平衡狀態(tài)下費米能級平衡狀態(tài)下費米能級EfEf處在同一高度上。處在同一高度上。結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場使結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場使p p區(qū)相對于區(qū)相對于n n區(qū)具有負電位，區(qū)具有負電位，使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成p pn n結(jié)勢壘，結(jié)勢壘，阻擋多數(shù)載流子運動。阻擋多數(shù)載流子運動。 EC EV EFp EFn EC EV uD EF 電子能量 電壓 漂移 擴散 空穴能量 漂移 E )exp(),exp()ln()ln()ln(kTqVppkT

54、qVnnnpnNaNdqkTVnnqkTVVqVqVnnkTEE0pn0np0pn0000pcncp數(shù)數(shù)載載流流子子之之間間的的關(guān)關(guān)系系：結(jié)結(jié)兩兩邊邊少少數(shù)數(shù)載載流流子子與與多多即即為為電電勢勢差差，于于是是為為勢勢壘壘高高度度，其其中中2i2 2、p pn n結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特性PnPn結(jié)的主要特性是整流效應，即單向?qū)щ娊Y(jié)的主要特性是整流效應，即單向?qū)щ娦?。性。正向偏置：正向偏置：p p區(qū)接正，區(qū)接正，n n區(qū)接負。此時電流區(qū)接負。此時電流隨電壓的增大急劇上升隨電壓的增大急劇上升反向偏置：反向偏置：n n區(qū)接正，區(qū)接正，p p區(qū)接負。隨著電壓區(qū)接負。隨著電壓的增加，電流趨向飽和。

55、的增加，電流趨向飽和。（1）正向偏置 外加電場 u 圖2-3 加正向電壓情況 內(nèi)建電場E uD E P N euD e(uD-u) +u u 擴散電流I1 漂移電流I0 pnpn結(jié)的正向電結(jié)的正向電流由流由p p邊界的邊界的電子擴散電流電子擴散電流和和n n邊界的空邊界的空穴擴散電流組穴擴散電流組成。成。)()exp()exp()exp()exp()()()exp()(exp(npppnn00nnnnnppppnn0pnpLDnLDqJ1kTqVJJ1kTqVpLqDJp1kTqVpLqDJnLx0pxpkTqVppkTVVqpp其中：其中：總的正向電流密度為：總的正向電流密度為：邊界的電子擴

56、散電流為邊界的電子擴散電流為：邊界的空穴擴散電流為邊界的空穴擴散電流為結(jié)邊界的距離而衰減，結(jié)邊界的距離而衰減，離開離開剩余載流子的濃度隨著剩余載流子的濃度隨著即：即：變?yōu)椋鹤優(yōu)椋簠^(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子濃度區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子濃度由于正偏使耗盡層附近由于正偏使耗盡層附近npn（2 2）反相偏置）反相偏置 施加電壓的方施加電壓的方向和內(nèi)建電場的向和內(nèi)建電場的方向相同，使勢方向相同，使勢壘的高度增加，壘的高度增加，空間電荷區(qū)加寬?？臻g電荷區(qū)加寬。漂移電流占主要漂移電流占主要地位。地位。 euD 外加電場 u 反向電壓 內(nèi)建電場 uD P N e(uD+u) u I1 I0漂移電流 EF EC 擴散電流I1 E

57、V EC 電流方向 3、pn結(jié)光伏效應結(jié)光伏效應 離離PNPN結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，N N區(qū)中的空穴，區(qū)中的空穴，P P區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場的區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場的分離，電子移向分離，電子移向N N區(qū)，空穴移向區(qū)，空穴移向P P區(qū)，區(qū)，PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)的光生電子的光生電子- -空穴對被空穴對被PNPN結(jié)勢壘區(qū)較強的內(nèi)建結(jié)勢壘區(qū)較強的內(nèi)建電場分離，空穴被移向電場分離，空穴被移向P P區(qū)，電子被移向區(qū)，電子被移向N N區(qū)，區(qū)，結(jié)果在結(jié)果在N N區(qū)將積累電子，區(qū)將積累電子，P P區(qū)將積累空穴，產(chǎn)區(qū)將積累空穴，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，生了一

58、個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，于是在于是在P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間造成光生電勢差；區(qū)之間造成光生電勢差； 如果光照保持不變，積累過程達到動如果光照保持不變，積累過程達到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個與光照度相態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個與光照度相應的穩(wěn)定的電勢差，稱為光生電動勢，應的穩(wěn)定的電勢差，稱為光生電動勢，光強越強，光生電動勢也就越大。積累光強越強，光生電動勢也就越大。積累的光生載流子部分地補償了平衡的光生載流子部分地補償了平衡PNPN結(jié)的結(jié)的空間電荷，引起了空間電荷，引起了PNPN結(jié)勢壘高度結(jié)勢壘高度降低。降低。電子空穴的移動使電子空穴的移動使p p區(qū)的電勢高于區(qū)的電勢高于n n區(qū)的電區(qū)的

59、電勢，相當于勢，相當于pnpn結(jié)上加了正向偏置。結(jié)上加了正向偏置。 光生電場 E 電壓 u 光生電流 IP 正向電壓 內(nèi)建電場 E uD 外回路電流 I 結(jié)電流Ij P N euD e(uD-u) +u u I1 I0 PNPN結(jié)中有三種電流：擴散電流、漂移電流、結(jié)中有三種電流：擴散電流、漂移電流、光生電流。光生電流與漂移電流方向相光生電流。光生電流與漂移電流方向相同，而擴散電流方向相反。把擴散電流同，而擴散電流方向相反。把擴散電流和漂移電流定義為結(jié)電流和漂移電流定義為結(jié)電流IjIj。 結(jié)電流結(jié)電流= =擴散電流漂移電流。擴散電流漂移電流。外電路的電流：外電路的電流：若外電路短路，外電壓為若外

60、電路短路，外電壓為0 0，則短路電流，則短路電流IscIsc：當開路時，外電路電流為當開路時，外電路電流為0 0，開路電壓，開路電壓VocVocpkTqvSDIeII) 1(/RIIpsc)ln(1IIqkTV0poc三、光電子發(fā)射效應三、光電子發(fā)射效應1 1、光電發(fā)射定律、光電發(fā)射定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律：當入射光的頻率或頻譜成份：當入射光的頻率或頻譜成份不變時，飽和光電流不變時，飽和光電流( (即單位時間內(nèi)發(fā)射的光即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目電子數(shù)目) )與入射光的輻射通量成正比與入射光的輻射通量成正比hcPehPeIe e電子電量；電子電量； 光電激發(fā)出電子的量子效率；光電激發(fā)出