第6章 電子材料的光學(xué)

1、1第第6章電子材料的光學(xué)性質(zhì)章電子材料的光學(xué)性質(zhì) 6.1 材料的光學(xué)性能 光具有波粒二象性，光子能量 E = hv = hc/ 當(dāng)電子吸收光子時，每次總是吸收一個光(量)子，而不能只吸收光(量)子的一部分。2 一、光的吸收與透射 當(dāng)光束照射到某種材料上時，將產(chǎn)生反射、折射、吸收、透射。如圖 對于金屬，價帶與導(dǎo)帶重疊 ，Eg = 0，不管入射光子的能量 h多小，電子都可以吸收它而躍遷到一個新的能態(tài)上，所以金屬可以吸收各種波長的光，因而金屬是不透明的金屬是不透明的。3前面講過 1、導(dǎo)體的費密能級位于導(dǎo)帶與價帶（是一個部分充滿的能帶 Eg = 0）分界處。 2、半導(dǎo)體的 Eg 較小， Eg 2.5

2、eV 。費密能級位于禁帶的中央。 3、絕緣體的 Eg 較大， Eg 2.5 eV 。費密能級位于禁帶的中央 。4絕緣體、半導(dǎo)體、金屬能帶5 對于絕緣體絕緣體，其能隙 Eg 是很大的，電子不能獲得足夠的能量逃逸出價帶而躍遷到導(dǎo)帶， 因此不容易發(fā)生吸收。例如玻璃，高純度的結(jié)晶陶瓷，無定形聚合物等都是透明的。 對于本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體，其能隙 Eg 小于絕緣體，若入射光能量大于 Eg ，則價帶中的電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，這稱為本征吸收本征吸收 。 所以本征半導(dǎo)體對短波的光(如可見光)是吸收的 ， 而對長波的紅外線光則是透明的。 對于摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體，只要光子能量大于施主和受主的雜質(zhì)能級，就會產(chǎn)生

3、光吸收，因而是不透明的。6 二、材料的發(fā)光性能 根據(jù)能量守恒，固體材料在平衡態(tài)（基態(tài)）下不會發(fā)光，只有以各種形式的能量使電子（或空穴）處于激發(fā)態(tài)時，才有可能發(fā)光。 對于金屬，價帶與導(dǎo)帶重疊，Eg = 0，光吸收后發(fā)射光子的發(fā)射光子的能量能量很小很小。如圖7 對于陶瓷和半導(dǎo)體材料，設(shè)能隙為 Eg 。當(dāng)外界激發(fā)使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶，電子在導(dǎo)帶因能量高是不穩(wěn)定的，只能停留 10-8s 左右，返回價帶發(fā)出光子 = hc / Eg外界激發(fā)源去除，發(fā)光現(xiàn)象隨之消失，這種發(fā)光稱為熒光熒光。如圖 8 若材料中含有雜質(zhì)或缺陷雜質(zhì)或缺陷，如ZnS中含有少量的銅、銀、金，或ZnO中含有極微量的鋅，這些微量雜質(zhì)在禁

4、帶中引入了施主能級，如圖。9 被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前先落入施主能級并被俘虜停留一段時間，電子在逃脫這個陷阱之后，才能返回價帶中。相應(yīng)地放出光子波長為=hc/（Eg-Ed）這種發(fā)光稱為磷光磷光。10 激發(fā)源去除后，發(fā)光時間短于 10-8s 稱為熒光（禁帶中無中間能級可停留）； 激發(fā)源去除后，發(fā)光時間長于 10-8s 稱為磷光（在禁帶中有中間能級可停留） 。 11 例：ZnS的能隙為3.54eV，要激發(fā)ZnS的電子需要光子的波長是多少？若在ZnS中摻入雜質(zhì)，使之在導(dǎo)帶下的1.38ev處產(chǎn)生一能量陷阱（雜質(zhì)能級）。試問發(fā)光的波長是多少？解：（1）激發(fā)電子進入導(dǎo)帶的最大波長屬于紫外350.

5、6nmm103.506m)106 . 1 ()54. 3()103)(1062. 6(7-19834gEhc12（2）在電子返回價帶之前首先落入了陷阱，發(fā)射光子的波長屬于紅外線nm5 .889m)106 . 1)(38. 1 ()103)(1062. 6(19834dEhc13（3）當(dāng)電子逃脫陷阱再返回價帶，發(fā)射光子的波長屬于黃光nm7 .574m)106 . 1)(38. 154. 3()103)(1062. 6(19834dgEEhc146.2 固體發(fā)光的機制固體發(fā)光的機制 當(dāng)物體受到諸如光的照射、外電場或電子束轟擊等激發(fā)后，物體只要不因此而發(fā)生化學(xué)變化，它總要回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。在這個

6、過程中一部分多余的能量通過光和熱的形式釋放出來。 如果這部分能量是以可見光或近可可見光或近可見光的電磁波形式發(fā)射出來見光的電磁波形式發(fā)射出來，就稱這種現(xiàn)象為發(fā)光發(fā)光。 15 概括地說，發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量。 這種能量的發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。 16 我們知道，當(dāng)激發(fā)停止時，任何形式的發(fā)光都存在著衰減過程，表現(xiàn)為余余輝現(xiàn)象輝現(xiàn)象。 而衰減過程的時間有的很短，可短于10-8s，有的很長，可達(dá)到數(shù)分鐘甚至數(shù)小時。 發(fā)光有著持續(xù)時間的事實，說明物質(zhì)在受激和發(fā)光的過程之間存在著一系列的中間過程。 17材料發(fā)光的全過程可以分成以下幾個步驟。 激發(fā)激發(fā)物質(zhì)中可激活系統(tǒng)吸收能

7、量后而躍遷到較高的能態(tài)； 發(fā)射發(fā)射激活系統(tǒng)恢復(fù)到較低能態(tài)（一般是基態(tài)）而發(fā)射光子； 在上述兩個過程之間還存在一系列的中中間過程間過程，這些中間過程集中表現(xiàn)在發(fā)光的衰減特性上。 下面利用能帶模型討論與發(fā)光有關(guān)的電子躍遷過程。 18 一、導(dǎo)帶到價帶的躍遷 若導(dǎo)帶中的電子向價帶躍遷，與價帶中的空穴直接復(fù)合，并發(fā)射光子。 hv = Eg 電子與空穴的復(fù)合主要發(fā)生在能帶的邊緣，由于載流子的熱分布載流子的熱分布使得發(fā)光發(fā)光光譜有一定寬度光譜有一定寬度。 按能帶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體可分為直接能直接能隙半導(dǎo)體隙半導(dǎo)體和間接能隙半導(dǎo)體間接能隙半導(dǎo)體 19 直接能隙半導(dǎo)體允許電子由導(dǎo)帶到價帶直接躍遷，其動量不變。如圖a

8、,(GaN、InN、InP、GaAs、InAs、GaSb、InSb銻化銦和所有的-族化合物半導(dǎo)體)。 間接能隙半導(dǎo)體電子由導(dǎo)帶到價帶躍遷時，為了滿足動量守恒，在發(fā)射光子時，同時發(fā)射或吸收一個聲聲子子。如圖b.(Si、Ge和-族化合物中的BP、AlP、GaP、BAs、AlAs、AlSb等)（圖中Ep 為聲子的能量） 20 h v = E2- E1 直接躍遷hv=E2-E1-EP 間接躍遷Ep 為聲子的能量 21 二、激子的復(fù)合 在半導(dǎo)體晶體中，除了固定在晶格原子上的電子（滿帶價帶電子）和能自由地在晶格間運動的自由電子（導(dǎo)帶電子）外，還存在一種處于高能激發(fā)態(tài)的電子，仍然受空穴的庫侖場的作用. 這種

9、受激電子和空穴相互束縛而結(jié)合成新的系統(tǒng)稱為激子激子。激子的能量略低于導(dǎo)帶底。Ex為激子的束縛能 22激子復(fù)合時，即一對束縛著的電子和空穴相遇復(fù)合時，發(fā)射光子的能量hv=Eg-Ex 直接能隙半導(dǎo) 體（左圖）hv=Eg-Ex-Ep 間接能隙半導(dǎo)體（右圖）Ex為激子的束縛能 ， Ep 為聲子的能量23 三、能帶和雜質(zhì)能級之間的躍遷 當(dāng)微量雜質(zhì)摻入晶體后，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級受主A的發(fā)光中心能級或施主D的陷阱能級。 晶體吸收光子后，導(dǎo)帶中產(chǎn)生自由電子，價帶中產(chǎn)生自由空穴（過程1）； 通過熱平衡過程，導(dǎo)帶中的電子很快降到導(dǎo)帶底，價帶中的空穴很快升到價帶頂； 24 導(dǎo)帶中的電子可以被陷阱D俘虜（過程2）.

10、 價帶中的空穴也可以被發(fā)光中心A俘虜（過程4）； 25 落入陷阱D的電子，由于熱運動可以從陷阱D再躍遷到導(dǎo)帶（過程3）。受主A上的空穴也可以再躍遷到價帶中去（過程5）； 26 導(dǎo)帶中的電子與發(fā)光中心能級A的空穴復(fù)合而發(fā)光（過程6），陷阱D中的電子向價帶躍遷，與價帶中空穴復(fù)合而發(fā)光（過程7）。hv = Eg - EA或hv = Eg EDEA為受主束縛能，ED為施主束縛能27 四、施主D到受主A的躍遷 俘獲在施主能級D的電子和受主能級A的空穴可以復(fù)合而發(fā)光（過程8. ）。在同一晶體內(nèi)的施主和受主，由于正、負(fù)電荷的靜電引力使它們趨于有序分布，形成近鄰的施主和受主對施主和受主對，當(dāng)電子由施主到受主躍

11、遷時，發(fā)射光子的能量為 hv=Eg-ED-EA+e2/4r0r式中 r為施主、受主的間距。是與晶格常數(shù)有關(guān)的不連續(xù)不連續(xù)量量，r為基質(zhì)晶體的相對電容率。 所以發(fā)射的光子發(fā)射的光子 hv 也也應(yīng)該是應(yīng)該是不連續(xù)的，不連續(xù)的，這是這是 施施主主-受主對受主對 發(fā)光的一個特點發(fā)光的一個特點。 28 五、在等電子中心的躍遷 當(dāng)基質(zhì)晶體中的一個原子被具有相同電子價的另一個原子替代時（同族替代）。例如 N 原子替代GaP中的 P 原子時就形成了等電子中心等電子中心。 等電子中心能夠俘獲一個電子成為帶負(fù)電的離子，從而在短程內(nèi)它能夠吸引一個空穴，構(gòu)成一個束縛激子束縛激子。當(dāng)這種束縛激子復(fù)合時，同時可以發(fā)射光子

12、。 因為束縛在等電子中心的激子是被局限在很小的空間空間范圍內(nèi)，具有較大的復(fù)合幾率，從而具有具有較高的發(fā)光效率。較高的發(fā)光效率。 29 六、非輻射性復(fù)合 事實上，固體材料中電子與空穴的復(fù)合，只發(fā)射聲子的無輻射復(fù)合過程比發(fā)射光子的復(fù)合過程更常見的多，主要有以下三種形式： 1、 階段地放出聲子的復(fù)合 若在禁帶中含有若干能量不同的雜質(zhì)或缺陷能級，能級間能量差很小能級間能量差很小，則在復(fù)合過程中，導(dǎo)帶電子可能會在這些能級間發(fā)生階段性躍遷，通過一系列聲子的產(chǎn)生實現(xiàn)復(fù)合。30 2、俄歇過程 電子與空穴的復(fù)合過程中，多余的能量未以光輻射的形式出現(xiàn)，而是被導(dǎo)被導(dǎo)帶中的其它電子吸收而被激發(fā)到導(dǎo)帶中帶中的其它電子吸

13、收而被激發(fā)到導(dǎo)帶中的更高能量狀態(tài)的更高能量狀態(tài)，其后再逐漸放出聲子再逐漸放出聲子，回到導(dǎo)帶底部。 俄歇過程通常發(fā)生在有晶格缺陷有晶格缺陷（電子與晶格碰撞的幾率大）的晶體中。 31 3、表面復(fù)合 在晶體表面，通常缺陷密度遠(yuǎn)高于晶體內(nèi)部，因此在表面引起的各種非輻射性復(fù)合的幾率也比內(nèi)部高的多。 所以半導(dǎo)體發(fā)光器件的效率和可靠性不半導(dǎo)體發(fā)光器件的效率和可靠性不僅與僅與材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與有關(guān)，也與材料的表面狀態(tài)材料的表面狀態(tài)有密切關(guān)系有密切關(guān)系。 在器件制作時，采用致密的氧化物膜層致密的氧化物膜層覆蓋表面是減少非輻射性復(fù)合，提高發(fā)光效覆蓋表面是減少非輻射性復(fù)合，提高發(fā)光效率的有效途徑率的有效

14、途徑。32 思考題： 通過計算說明：金剛石對可見光是透明的，而半導(dǎo)體硅對可見光是不透明的。 提示：利用禁帶寬度（能隙）Eg33固體發(fā)光的機制小結(jié)小結(jié)一、導(dǎo)帶到價帶的躍遷 hv = Eg二、激子的復(fù)合 hv=Eg-Ex， Ex為激子的束縛能三、能帶和雜質(zhì)能級之間的躍遷四、施主D到受主A的躍遷五、在等電子中心的躍遷346.3 固體發(fā)光的衰減機制和陷阱效應(yīng)固體發(fā)光的衰減機制和陷阱效應(yīng) 發(fā)光物質(zhì)在激發(fā)和發(fā)射兩個過程之間，存在著一系列的中間過程中間過程，中間過程與發(fā)光物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)有關(guān)，并表現(xiàn)在發(fā)光的衰減特性上。 研究發(fā)光的衰減規(guī)律，對改善發(fā)光材料的性能具有實際意義。 實際發(fā)光材料的衰減規(guī)律是很復(fù)雜的，

15、下面分析幾種最基本的情況。 35 一、與溫度無關(guān)的指數(shù)衰減(自發(fā)衰減，無中間能級) 電子從發(fā)光中心的基態(tài)能級G躍遷到激發(fā)態(tài)A，然后，電子由激發(fā)態(tài)A直接回到基態(tài)G時發(fā)射光子，這種過程稱為自發(fā)發(fā)光自發(fā)發(fā)光。設(shè)發(fā)光中心只有一種（只有一個基態(tài)G ）t = 0 時激發(fā)源撤消，任意時刻 t (0) 處于激發(fā)態(tài) A 的電子數(shù)為 n(t) 設(shè)電子在態(tài)A的壽命為，則單位時間內(nèi)電子從態(tài) A 回到基態(tài) G 的幾率為 1/所以電子從態(tài) A 回到基態(tài) G 的速率解得 n（t）= n0exp(-t/)(d)(dtnttn36 n（t）= n0exp(-t/)單位時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)（即光強）應(yīng)與 -dn/dt 成正比，即I

16、(t)= -dn/dt I0 為 t =0 時的發(fā)光強度?？梢?，這種發(fā)光強度的自發(fā)衰減規(guī)律是與溫度 T 無關(guān)的隨時間 t 指數(shù)衰減的。)exp()exp(00tItn37 二、與溫度有關(guān)的指數(shù)衰減（有中間能級M） 發(fā)光中心G （設(shè)只有一種）受激后由基態(tài)G躍遷到態(tài)A，再到亞穩(wěn)態(tài)M，M G的躍遷是禁阻的M A的躍遷需吸收熱能，與溫度有關(guān)A G的躍遷發(fā)射光子 38 設(shè) t =0 時激發(fā)停止，這時處于態(tài) M 的電子數(shù)為 n0 單位時間內(nèi)電子 M A 躍遷的幾率為 1/ 單位時間內(nèi)電子 A G 躍遷的幾率為 1/0按玻爾茲曼分布，電子一旦被重新激發(fā)到A，回到G而發(fā)射光子的幾率遠(yuǎn)大于重新落到M，所以發(fā)光強

17、度由 M A的躍遷幾率決定，由上頁公式)exp(110TkB)exp()(0tntI)exp(exp)exp(000TktTknBB39 該式表明，溫度較低時光強很弱；溫度升高后，態(tài) M 上的電子吸收晶格熱量而迅速躍遷到態(tài)A上，光強很快增加，衰減時間大為縮短，在一定溫度下，衰減呈指數(shù)形式。 )exp(exp)exp()exp()(0000TktTkntntIBB40 上面討論的兩種發(fā)光衰減過程，其共同點是發(fā)光材料的發(fā)光中心都只有一種，并且在受發(fā)光中心都只有一種，并且在受激時發(fā)光中心并未被離化（電離）。激時發(fā)光中心并未被離化（電離）。激發(fā)和發(fā)射過程均發(fā)生彼此獨立的發(fā)光中心內(nèi)部，這類發(fā)光稱為有分立

18、發(fā)光中心的發(fā)光有分立發(fā)光中心的發(fā)光。 因為發(fā)光過程只涉及發(fā)光中心內(nèi)部，故又稱為單分子過程單分子過程。 又因為發(fā)光中心沒有電離，所以發(fā)光時并不伴隨有光電導(dǎo)的變化，故又歸為“非光電導(dǎo)非光電導(dǎo)”型發(fā)光型發(fā)光。 41 三、雙曲線衰減 這一種發(fā)光機制不同于上述兩種，它的發(fā)光中心在受激時被電離電離，被離化出來的電子在發(fā)光物質(zhì)（晶體）中漂移，從而構(gòu)成特征性的“光電子型光電子型”的發(fā)光，也稱為雙分雙分子過程子過程。其基本表達(dá)式為 式中 為特征常數(shù)，n(t) 為時刻 t 激發(fā)態(tài)上的電子數(shù)目，解得2)(d)(dtnttntnntn001)(42求導(dǎo)得 發(fā)光強度表明：t 較大時，發(fā)光強度按 t -2 衰減（光電導(dǎo)型

19、發(fā)光）。 實際發(fā)光體的衰減過程是：開始時衰減快，后來衰減變慢，整個衰減過程同晶體中的缺陷、電子的擴散和被俘獲、電子同發(fā)光中心間的相互作用、以及激發(fā)光的強度等復(fù)雜因素有關(guān)。 2002020)1 ()1 (d)(d)(tnItnnttntItnntn001)(43 四、陷阱效應(yīng) 陷阱能級是由發(fā)光體內(nèi)晶格缺陷引起的，它們是一些距導(dǎo)帶底很近距導(dǎo)帶底很近的、對電子有俘獲作用對電子有俘獲作用的能級，而且陷阱陷阱是亞穩(wěn)態(tài)能級是亞穩(wěn)態(tài)能級。陷阱能級上的電子到發(fā)光中心的躍遷通常是禁戒的。 所以落在這些陷阱能級上的電子必須重新被激發(fā)到導(dǎo)帶，然后在擴散或遷移過程中遇到發(fā)光中心而復(fù)合發(fā)光，因陷阱能級是一亞穩(wěn)態(tài)能級，所

20、以電子在陷阱能級上的存存在時間在時間與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)。44 當(dāng)光電導(dǎo)型發(fā)光體被激發(fā)時，發(fā)光中心被離化。 電子進入導(dǎo)帶，部分電子可能立刻同發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。 另一部分的電子，在晶格內(nèi)的擴散和漂移過程中，可能被陷阱俘獲而落入深度不同的陷阱能級中，通過熱起伏重新激發(fā)到導(dǎo)帶，然后與發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。 因此，這一部分的發(fā)光總是落后于激發(fā)的，通常稱之為余輝余輝（或輝光輝光）。 顯然，輝光現(xiàn)象直接同發(fā)光體內(nèi)的陷阱效應(yīng)有輝光現(xiàn)象直接同發(fā)光體內(nèi)的陷阱效應(yīng)有關(guān)關(guān)。 45 在一定溫度下，處于較深的陷阱能級上的電子被重新激發(fā)到導(dǎo)帶的幾率較小，或者電子進入導(dǎo)帶后又落入其他陷阱(發(fā)生多次俘獲)，這些情況都使余輝持

21、續(xù)的時間很長，也就是發(fā)光的衰減很慢。 從能量角度看，發(fā)光體的陷阱效應(yīng)具有發(fā)光體的陷阱效應(yīng)具有儲存儲存光能光能的特點的特點。 通過研究發(fā)光體中陷阱效應(yīng)的規(guī)律，從而制造出長時間發(fā)光的材料，這對將白晝陽光的光能儲存將白晝陽光的光能儲存起來供夜晚照明之用的燈光起來供夜晚照明之用的燈光是有重大意義的。 46 如果提高發(fā)光體的溫度，可以使儲存于陷阱中的光能加速釋放出來，這一現(xiàn)象稱為熱釋發(fā)光熱釋發(fā)光。 不同的溫度釋放出陷于不同能級上的電子，故光強峰值對應(yīng)的溫度近似地反映陷阱的深度。 因此應(yīng)用熱釋發(fā)光可以研究發(fā)光體中陷阱深度的分布。圖12.9.3給出發(fā)光體ZnS:Cu的加熱發(fā)光曲線。 47 同熱釋發(fā)光相似，還

22、可以用紅外線照射來代替加熱過程，以使發(fā)光體中的光能釋放出來。 紅外線的照射作用常稱為刺激，而所發(fā)出的光稱為閃光閃光。 實驗表明：閃光現(xiàn)象與熱釋發(fā)光之間存在著原則性區(qū)別。48 在發(fā)光學(xué)的文獻(xiàn)中， 常把由于光作用而從陷阱能級激發(fā)到導(dǎo)帶的電子稱為“光電子光電子”. 而把通過熱的作用躍遷到導(dǎo)帶的電子稱為“熱熱激電子激電子”。 由于光子能量大于熱激發(fā)能，可以設(shè)想，光電子從紅外光接受了較多的能量，不是從陷阱上被釋放出來所絕對需要的。 所以，光電子在晶格中可以運動較長的距離，光電子遇到其他的陷阱重新被俘獲的幾率大光電子遇到其他的陷阱重新被俘獲的幾率大，所以發(fā)光效率低。 而熱激電子則比較容易與發(fā)光中心復(fù)合熱激

23、電子則比較容易與發(fā)光中心復(fù)合,所以發(fā)光效率高。 496.4 常用的發(fā)光材料常用的發(fā)光材料固體中的光發(fā)射按激發(fā)方式的不同可分為三種 光致發(fā)光光致發(fā)光 電致發(fā)光電致發(fā)光 陰極射線致發(fā)光陰極射線致發(fā)光等 1光致發(fā)光 用紫外光，可見光及紅外光激發(fā)發(fā)光材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為光致發(fā)光光致發(fā)光。 例如日光燈就是光致發(fā)光的例子，日光燈工作時，管內(nèi)的水銀蒸氣在放電時發(fā)出紫外線，紫外線激發(fā)管壁上的發(fā)光材料，從而發(fā)出可見光。 50 （1）熒光材料 材料吸收光子能量后，除了可以轉(zhuǎn)換為熒光外，還可以轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。 而產(chǎn)生熒光最重要的條件是分子必須在產(chǎn)生熒光最重要的條件是分子必須在激發(fā)激發(fā)態(tài)有一定的穩(wěn)定性態(tài)有一

24、定的穩(wěn)定性，能夠持續(xù)約 10-8s 的時間，多數(shù)分子不具備這一條件，它們在熒光發(fā)射以前就以其它形式釋放了所吸收的能量。 只有具備共軛鍵共軛鍵系統(tǒng)的分子才能使激發(fā)態(tài)保持相對穩(wěn)定而發(fā)射熒光。 熒光材料主要是以熒光材料主要是以苯環(huán)為基的芳香族化合物苯環(huán)為基的芳香族化合物和雜環(huán)化合物和雜環(huán)化合物，如酚、蒽、熒光素、羅達(dá)明等，如酚、蒽、熒光素、羅達(dá)明等。 51 （2）磷光材料 具有 缺陷缺陷（能級）的某些復(fù)雜的無的某些復(fù)雜的無機晶體機晶體，在光激發(fā)時和光激發(fā)后一定時間內(nèi)（ 10-8s ）能夠發(fā)光，這些晶體稱為磷光材料。 磷光材料的主要組成是基質(zhì)基質(zhì)和和激活激活劑劑兩部分。 52 一些燈用熒光材料實際上就

25、是磷光材料 如鹵磷酸鹽鹵磷酸鹽，它是以銻錳銻錳為激活劑的一種含鹵素的堿土熒光粉，堿土金屬一般是鈣鈣或鍶鍶 發(fā)光顏色可通過改變基體中氟氯氟氯的含量或調(diào)整錳錳的濃度來控制。 鹵磷酸鹽熒光粉將紫外線轉(zhuǎn)換為可見光的效率高，也更易制成燈用涂層所需的細(xì)顆粒，毒性小存在的問題是光效和顯色不能同時兼顧。 53 而稀土三基色熒光粉稀土三基色熒光粉分別是紅粉、綠粉、藍(lán)粉按一定比例混合而成的。 它解決了鹵磷酸鹽存在的光效和顯色不能同時兼顧的矛盾，更由于這類材料具有耐高負(fù)荷，耐高溫的優(yōu)異性能，成為新一代的燈用熒光粉材料。5455 （3）上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下，發(fā)射可見光，這種現(xiàn)象稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光上轉(zhuǎn)換發(fā)

26、光。 上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機理：存在一個中間能存在一個中間能級級，在光激發(fā)下處于基態(tài)的電子躍遷到這個中間能級。電子在這個中間能級上的壽命足夠長壽命足夠長，以致它可以再吸收另一吸收另一個光子個光子躍遷到更高的能級。電子從這個更高的能級向基態(tài)躍遷時，發(fā)射波長比激發(fā)光的波長更短的光波。 與熱釋發(fā)光的區(qū)別。56 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料差不多都是摻稀土元素的化合物或者就是稀土元素的化合物 它們均由稀土離子激活由稀土離子激活，其中以Yb 3+（鐿離子）、Er 3+ （鉺離子）最為常見。57 例如：三價稀土離子銩（ Tm 3+ ）摻 雜 的 氟 化 鑭（LaF3）。 用 氪離子激光器的647.1nm紅光紅光激發(fā)，可以觀察到

27、 1G4 和 1D2 的藍(lán)光藍(lán)光（480nm和450nm）以及 1D2 和 1I6 的紫外光（360nm和340nm）。 58 2電致發(fā)光與半導(dǎo)體發(fā)光二極管 發(fā)光材料在電場作用下，將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光電致發(fā)光，常見的類型有粉末型、薄膜型和結(jié)型。 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管是目前研究最多和應(yīng)用最廣的一種電致發(fā)光器件，它是結(jié)型電致發(fā)光的一種典型。 我們知道半導(dǎo)體在熱平衡時并無發(fā)光現(xiàn)象，為了實現(xiàn)復(fù)合發(fā)光，應(yīng)在半導(dǎo)體內(nèi)通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ纬煞瞧胶廨d流子。 常用的方法是對對 P- -N 結(jié)施加正向偏壓結(jié)施加正向偏壓，即N區(qū)接負(fù)，P區(qū)接正。59 由于正向偏壓降低了勢壘，使N區(qū)，P區(qū)

28、的少數(shù)載流子濃度增加少數(shù)載流子濃度增加（比平衡態(tài)時濃度高） 這些過量的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)過量的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光合而發(fā)光 顯然這是一種把電能電能直接轉(zhuǎn)換為光能光能的發(fā)光現(xiàn)象60 為了獲得在可見光區(qū)的半導(dǎo)體二極管，要求半導(dǎo)體的禁帶寬度在 1.82.9 eV 之間(可見光子能量范圍)。 Ge，Si等材料可制成優(yōu)良的 P-N 結(jié)，然而其 Eg 都在紅外線部分，而且它們是間接能隙半導(dǎo)體，因而復(fù)合躍遷的幾率低，不宜于制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管； GaAs 雖是直接能隙半導(dǎo)體，但其Eg （=1.44 eV ）小于1.8 eV ，不能發(fā)出可見光； CdS是直接能隙半導(dǎo)體， Eg =2.4 eV

29、 在可見光范圍內(nèi)，然而這種材料不容易制成P-N結(jié)。 61 直到20世紀(jì)70年代才研制出可見光范圍內(nèi)的半導(dǎo)體二極管。 現(xiàn)在常利用 GaAs 1-y Py 三三元系合金制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管元系合金制造半導(dǎo)體發(fā)光二極管 還可在其中摻N，N 取代 P 而形成等電子中心。 62 3陰極射線致發(fā)光 陰極射線致發(fā)光是指在陰極射線激發(fā)（電子束電子束轟擊轟擊）發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象，也稱為電子束激發(fā)發(fā)光。 1879年W.Crooks確定了發(fā)光特性決定于被電子發(fā)光特性決定于被電子束轟擊的物質(zhì)束轟擊的物質(zhì)。 1929年出現(xiàn)了黑白電視機， 1953年彩色電視機問世， 1964年發(fā)明了以稀土元素化合物為基質(zhì)稀土元素化

30、合物為基質(zhì)和以稀稀土離子摻雜的發(fā)光粉土離子摻雜的發(fā)光粉，從而成功地提高了發(fā)紅光發(fā)紅光材料的亮度，這使它能夠和三基色的藍(lán)藍(lán)、綠綠色發(fā)光的亮度匹配，使彩色電視機能得到迅速推廣。（表9-3） 63 (1) 陰極射線發(fā)光的基本規(guī)律 陰極射線致發(fā)光是在真空中從陰極出來的電子經(jīng)加速后轟擊熒光屏所發(fā)出的光。 所以發(fā)光區(qū)域只局限于電子所轟擊的區(qū)域附近。 又由于電子的能量在幾千 eV 以上，所以除發(fā)光外還產(chǎn)生 X 射線。 X 射線對人體有害，因而在顯示屏的玻璃中常添加一些重金屬（如Pb）以吸收在電子轟擊熒光屏?xí)r所產(chǎn)生的 X 射線。 64 在可持續(xù)激發(fā)的條件下，改變加速電壓時，發(fā)光亮度也相應(yīng)變化，由多種材料試驗得

31、到發(fā)光亮度的經(jīng)驗公式為式中 J0 為常數(shù)，I 為電流密度，V為加速電壓，V0 為起輝電壓（大于起輝電壓才能發(fā)光），n為13之間的數(shù)?？梢?發(fā)光亮度與 I 和 (V- V0)有關(guān).nVVIJJ)(0065 （2）陰極射線致發(fā)光材料 陰極射線致發(fā)光材料是由電子束激發(fā)材料而發(fā)光，其電子能量通常在幾千 eV 以上，甚至幾萬 eV ，而前述的光致發(fā)光，紫外線光子能量僅56 eV . 因此光致發(fā)光材料在電子束激發(fā)下光致發(fā)光材料在電子束激發(fā)下都能發(fā)光都能發(fā)光，有些材料沒有光致發(fā)光效應(yīng)，卻有陰極射線發(fā)光功能。66 常用的陰極射線致發(fā)光材料主要是熒光粉熒光粉與激發(fā)劑激發(fā)劑組成的復(fù)合物質(zhì)，如： 鋅激活的氧化鋅熒光

32、粉：ZnO：Zn發(fā)青綠光 銀激活的硫化物熒光粉： ZnS：Ag 發(fā)藍(lán)光 ZnS：Ag與ZnCdS：Ag混合作用 發(fā)白光。 錳激活的正硅酸鋅：Zn2SiO4：Mn發(fā)綠光 稀土族熒光粉：Y2O3：Eu發(fā)紅光， Y2SiO5：Ce（鈰）發(fā)綠光。 陰極射線致發(fā)光材料主要應(yīng)用于電視、示波器、雷達(dá)、計算機等熒光屏和顯示器熒光屏和顯示器。676.5 透明導(dǎo)電薄膜材料透明導(dǎo)電薄膜材料一、透明導(dǎo)電膜的基本要求及應(yīng)用 透明導(dǎo)電膜是兼顧透光性和導(dǎo)電性透光性和導(dǎo)電性的一類特殊薄膜，要求它既有良好的導(dǎo)電性，又對可見光有很好的透光性，而對紅外光有良好的選擇反射性。 考慮到實際應(yīng)用，作為透明導(dǎo)電薄膜的基本條件是 ： 表面電

33、阻低； 透光率高； 面積大，重量輕； 易加工，耐沖擊。 透明導(dǎo)電膜的應(yīng)用：射像管，場（電）致發(fā)光顯示板，飛機汽車窗玻璃的防霧和防結(jié)冰裝置等 68 二、金屬透明導(dǎo)電薄膜 我們知道，金屬膜中存在自由電子，因此即使很薄的金屬膜仍然呈現(xiàn)很好的導(dǎo)電性 若選擇其中對可見光吸收小的物質(zhì)，如金、銀、銅、鋁、鉻、鉑、金、銀、銅、鋁、鉻、鉑、鈀鈀等，就可以得到透明導(dǎo)電薄膜。69 另一方面，當(dāng)金屬膜的厚度減到20nm以下時，對光的吸收率和反射率都很低，即呈現(xiàn)出很好的透光性。 但若膜的厚度太小，又會影響其導(dǎo)電性，所以金屬薄膜的厚度應(yīng)限制在3 315nm左右。 但這樣厚度的金屬薄膜容易形成島狀結(jié)構(gòu)，而表現(xiàn)出比連續(xù)膜高的

34、電阻和高的光吸收率。 為避免島狀結(jié)構(gòu)，可先沉積一層氧化物作為襯底，然后再鍍金屬膜，由于金屬膜的強度較低，其上面常要再鍍一層保護膜，如 SiO2 或 Al2O3 ，適當(dāng)設(shè)計上下層膜的折射率和光學(xué)厚度適當(dāng)設(shè)計上下層膜的折射率和光學(xué)厚度，使上下層膜為增透膜,可使膜面既減少反射又具有保護作用，且提高金屬膜的可見光透過率。70 三、半導(dǎo)體透明導(dǎo)電膜 半導(dǎo)體薄膜具有透光性好但導(dǎo)電性差的特點，因此要求薄膜具備這樣的條件： Eg3eV，以保證高的透光率 (可見光子能量范圍1.82.9 eV ) ； 材料應(yīng)摻雜使其組成偏離化學(xué)計量比,具有高的載流子濃度以保證高的導(dǎo)電性。 目前應(yīng)用最廣泛的是 SnO2 和 In2

35、O3薄膜，為了增加電導(dǎo)率，需要摻入一些高價離子，如（銻）Sb5+、P5+等，經(jīng)過摻雜的 In2O3 的透光性和導(dǎo)電性均優(yōu)于 SnO2 。71 6.6 半導(dǎo)體的光電性質(zhì)半導(dǎo)體的光電性質(zhì) 半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 72 1. 半導(dǎo)體的光吸收 光在半導(dǎo)體內(nèi)傳播時，存在光吸收現(xiàn)象，光吸收規(guī)律為： I = I0 exp(-x) 吸收系數(shù)由材料本身性質(zhì)和入射光的波長決定。 半導(dǎo)體中的光吸收包括以下幾種： 73本征吸收本征吸收激子吸收激子吸收自由載流子吸收自由載流子吸收雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收晶格振動吸收晶格振動吸收74（1）本征吸收本征吸收 若光子能量 hvEg , 則價帶電子吸收光子后躍遷到導(dǎo)帶如圖中的

36、a 所示。 電子由電子由帶與帶帶與帶之之間的躍遷所形成的間的躍遷所形成的吸收過程稱為吸收過程稱為本征本征吸收吸收。 本征吸收是半導(dǎo)體中最重要的吸收。75 發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或等于禁發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或等于禁帶寬帶寬 度度 Eg ，即，即 h0 是能夠引起本征吸收的最低限度光子能量。是能夠引起本征吸收的最低限度光子能量。 半導(dǎo)體的本征吸收限半導(dǎo)體的本征吸收限 對應(yīng)于本征吸收光譜，在低頻方面必然存在一個頻率界限（或者說在長波方面存在一個波長界限）。當(dāng)頻率低于或波長大于該界限時，不可能產(chǎn)生本征吸收，吸收系數(shù)迅速下降。 這種吸收系數(shù)顯著下降的特定波長（或特定吸收系數(shù)顯著下降的特

37、定波長（或特定頻率）就稱為半導(dǎo)體的本征吸收限頻率）就稱為半導(dǎo)體的本征吸收限。0ghhE76 下圖給出了幾種半導(dǎo)體材料的本征吸下圖給出了幾種半導(dǎo)體材料的本征吸收系數(shù)和波長的關(guān)系，曲線短波端陡收系數(shù)和波長的關(guān)系，曲線短波端陡峻地上升標(biāo)志著本征吸收的開始。峻地上升標(biāo)志著本征吸收的開始。77 常用半導(dǎo)體材料本征吸收限常用半導(dǎo)體材料本征吸收限 和禁帶寬度的對應(yīng)關(guān)系。和禁帶寬度的對應(yīng)關(guān)系。78（2）激子吸收激子吸收 實驗發(fā)現(xiàn) ，當(dāng) hv Eg 時，半導(dǎo)體中就已出現(xiàn)一系列吸收線；并且發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)于這些吸收線并不伴有光電導(dǎo)。這種吸收并不引起價帶電子直接激發(fā)到導(dǎo)帶，而形成所謂“激子吸收”。79 激子吸收激子吸收

38、若光子能量 hvEg ,價電子吸收光子后雖然越出了價帶，但還不足以進入導(dǎo)帶成為自由電子，仍然受空穴的庫侖場的作用。 這種受激電子和空穴相互束縛而結(jié)合成新的系統(tǒng)稱為激子激子。這種光吸收稱為激子吸收。如圖 b. 80 對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，不足以引起電子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大而增加強度隨波長增大而增加。 自由載流子吸收：導(dǎo)帶中的電子或價帶中的空穴吸收光子后在一個帶內(nèi)躍遷帶內(nèi)躍遷。如圖c.d，一般出現(xiàn)在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 （3） 自由載流子吸收自由載流子吸收81 （4）雜質(zhì)吸收 束縛在（施主或受主）雜質(zhì)能級上的電子或空穴，吸收光子后

39、躍遷到導(dǎo)帶或價帶。由于半導(dǎo)體中多數(shù)雜質(zhì)是淺能級雜質(zhì)，所以光子能量較低，一般出現(xiàn)在遠(yuǎn)紅外區(qū)。 如圖 e ,電子可以吸收電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶能級；空穴光子躍遷到導(dǎo)帶能級；空穴也同樣可以吸收光子而躍遷也同樣可以吸收光子而躍遷到價帶，這種光吸收稱為雜到價帶，這種光吸收稱為雜質(zhì)吸收。質(zhì)吸收。 雜質(zhì)吸收一般比較雜質(zhì)吸收一般比較微弱微弱。 82 在晶體吸收光譜的遠(yuǎn)紅外區(qū)，有時還發(fā)現(xiàn)一定的吸收帶，這是晶格振動吸收形成的。 在這種吸收中，光與晶格振動相互作用，光與晶格振動相互作用，光子能量直接轉(zhuǎn)化為晶格振動能量光子能量直接轉(zhuǎn)化為晶格振動能量（聲子能量）（聲子能量）。 對于離子晶體或離子性較強的化合物離子晶

40、體或離子性較強的化合物，存在較強的晶格振動吸收帶。 在半導(dǎo)體Ge、Si及-族化合物如GaAs中，也都觀察到了這種吸收帶。 （5 5）晶格振動吸收晶格振動吸收83 2. 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光電導(dǎo) 半導(dǎo)體受到光照會產(chǎn)生光吸收，光吸收又會導(dǎo)致半導(dǎo)體中形成非平衡附加載流子，而載流子濃度的增大又導(dǎo)致樣品電導(dǎo)率增大。 這種由于光的照射引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增由于光的照射引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)（效應(yīng)）加的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)（效應(yīng)）。本征光電導(dǎo)由本征吸收引起的光電導(dǎo)雜質(zhì)光電導(dǎo)由雜質(zhì)吸收引起的光電導(dǎo)84 （1）附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)率） 無光照時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 0 = n0qn + p0qpn0 、p0為平

41、衡載流子濃度，n 、p為電子、空穴的遷移率。 有光照射時，附加電導(dǎo)率（也稱光電導(dǎo)率）n、p為光照射時的載流子濃度增量（光生載流子濃度）光電導(dǎo)的相對變化值pnpnqpqnpqnq000pnpqnq85對于本征光電導(dǎo)引入則 光電導(dǎo)相對變化值光電導(dǎo)相對變化值的大小表征光敏電阻靈敏度的高的大小表征光敏電阻靈敏度的高低低, ,光電導(dǎo)相對變化值與平衡載流子濃度成反比，與光生載流子濃度成正比。 因此為提高光敏電阻的靈敏度，要盡量選用電阻率高為提高光敏電阻的靈敏度，要盡量選用電阻率高的材料的材料。pnpnb0001pbnnbpnpnqpqnpqnq00086 （2）定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫時間 當(dāng)光照射到光敏器件時

42、，光電導(dǎo)逐漸增大，經(jīng)過一定時間后達(dá)到一個穩(wěn)定值，稱為定態(tài)光電導(dǎo)定態(tài)光電導(dǎo)。 停止光照射后，要經(jīng)過一個衰減過程光電導(dǎo)才最終消失。 光電導(dǎo)逐漸上升和逐漸下降的過程稱為光電光電導(dǎo)逐漸上升和逐漸下降的過程稱為光電導(dǎo)的導(dǎo)的弛豫過程弛豫過程。 弛豫過程經(jīng)歷的時間稱為弛豫時間弛豫時間 弛豫時間的長短反映了光電導(dǎo)對光強反映的快光電導(dǎo)對光強反映的快慢慢，決定著在迅速變化的光強下，一個光敏電阻能否有效的工作。 87 （3）光電導(dǎo)的光譜分布 半導(dǎo)體光電導(dǎo)的強弱與照射光的波長有密切關(guān)系圖5.1.9是硫化鎘（CdS）和硒化鉛(PbSe) 本征光電導(dǎo)的光譜分布曲線. 不同的半導(dǎo)體材料,由于 Eg 不同,對應(yīng)有不同的光譜分

43、布曲線（峰值位置和波長范圍）硫化鉛，硒化鉛是主要的紅外光譜材料，而硫化鎘則適于可見光(0.76m以下)和X光范圍. 88 在光電導(dǎo)峰值的長波方向，曲線迅速下降。這是因為長波部分光子能量低，不足以引起本征光吸收。因此光譜分布曲線上存在一個長波限 通常選定峰值下降一半的波長為長波限峰值下降一半的波長為長波限。由此可確可確定半導(dǎo)體的禁帶寬度定半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg 89 在光電導(dǎo)峰值的短波方向曲線也在緩慢下降短波方向曲線也在緩慢下降。 若光譜曲線是等能量等能量曲線，由于短波方向照射的光子數(shù)少，所以光電導(dǎo)下降； 若光譜曲線是等量子等量子曲線，由于樣品對短波的吸收系數(shù)大，光生載流子主要集中于光照表面，受

44、表面能級、受表面能級、表面復(fù)合與電極的影響表面復(fù)合與電極的影響，載流子遷移率與壽命減小載流子遷移率與壽命減小，引起光電導(dǎo)下降。 90 （4）復(fù)合和陷阱作用 直接復(fù)合導(dǎo)帶中的電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價帶與空穴復(fù)合，使一電子-空穴對消失。 間接復(fù)合雜質(zhì)或缺陷可在禁帶中形成一定的能級，其中有些能級俘獲電子與俘獲空穴的能力相近相近，它們對非平衡載流子的復(fù)合起促進作用，這類雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心復(fù)合中心。 一般光生載流子的復(fù)合過程都是通過一般光生載流子的復(fù)合過程都是通過復(fù)合中心進行的間接復(fù)合復(fù)合中心進行的間接復(fù)合。 91 陷阱半導(dǎo)體內(nèi)存在另一類雜質(zhì)或缺陷，它們的能級位于費密能級附近費密能級附近，對電子，空穴

45、的俘獲能力差別很大對電子，空穴的俘獲能力差別很大， 一旦非平衡電子或空穴被它們俘獲，這部分載流子既不參與導(dǎo)電，也沒有被復(fù)合掉，就好像被陷住似的，這類雜質(zhì)或缺陷稱為陷阱陷阱。 顯然陷阱與復(fù)合中心不同。92 （5）雜質(zhì)光電導(dǎo) 光照可使束縛于雜質(zhì)能級上的電子或空穴電離，成為自由的光生載流子，產(chǎn)生的光電導(dǎo)稱為雜質(zhì)光電導(dǎo)。 由于雜質(zhì)原子數(shù)目比半導(dǎo)體本身原子數(shù)目小的多，所以雜質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)比本征光雜質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)比本征光電導(dǎo)弱的多電導(dǎo)弱的多。 93 3、半導(dǎo)體的光伏效應(yīng) 當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射非均勻摻雜的半導(dǎo)體時當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射非均勻摻雜的半導(dǎo)體時 如 P-N 結(jié)或其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（如金屬-半導(dǎo)體形成的肖

46、特基勢壘，金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）， 由于光激發(fā)和半導(dǎo)體內(nèi)建電場作用，將在半導(dǎo)將在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電勢差體內(nèi)部產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。 這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)就是光電池光電池。 光伏效應(yīng)的重要應(yīng)用是利用太陽能電池，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸槿祟悘氐捉鉀Q能源問題展現(xiàn)出很有希望的前景 。9495P N結(jié)與光生伏特效應(yīng) P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸處，由于電子和空穴的擴散，使P型一邊堆積負(fù)電荷、 N型一邊堆積正電荷，形成一個厚度約為的10-7m電偶極層，即P N結(jié)。結(jié)內(nèi)存在電場E，方向如圖101-1，兩半導(dǎo)體間形成穩(wěn)定的電位差U0，稱為勢壘。 若光照射到P N結(jié)及其附近的P型半導(dǎo)體與N型

47、半導(dǎo)體上，在能量足夠大的光子作用下，又會激發(fā)生成少量的電子-空穴對。這些光生的電子和空穴在結(jié)內(nèi)電場E的作用下會定向運動，光生的電子向N區(qū)運動，光生的空穴向P區(qū)運動。結(jié)果使N區(qū)帶上負(fù)電荷，P區(qū)帶上正電荷，從而使P N結(jié)兩端又附加一個與內(nèi)電場E方向相反的光生電場。如果光照保持不變，則光生電場穩(wěn)定，對應(yīng)的光生電位差就稱為光生電動勢。這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光照越強，光生電動勢也越大。當(dāng)被光照射的P N結(jié)兩端通過負(fù)載構(gòu)成閉合回路時，就會形成電流。該電流一直持續(xù)到光照停止。96光電池及其結(jié)構(gòu)原理 光電池的種類很多，按用途可分為太陽能電池和測量光電池（將光信號轉(zhuǎn)換為電信號作光探測器用）；按光電池所用的材

48、料可分為硅、硒、鍺、硫化鎘和砷化鎵等。其中用途最廣的是硅光電池和硒光電池，它們的壽命長、性能穩(wěn)定、光譜響應(yīng)范圍寬、頻率特性好且能耐高溫。97硒光電池 硒光電池是金屬-半導(dǎo)體接觸型。它以鐵或鉛作基板，上面鍍一層鎳（防止雜質(zhì)擴散），鎳上再鍍一層P型半導(dǎo)體硒，硒上又涂一層半透明導(dǎo)電薄膜（金或氧化鎘），并在薄膜四周包有環(huán)行金屬層集電極，如圖101-2上。 硒層-P型半導(dǎo)體， 半透明導(dǎo)電薄膜-相當(dāng)于 N型半導(dǎo)體 金屬（鐵或鉛）基板-電池的正極 集電極-電池的負(fù)極 硒光電池價格低廉。98硅光電池 硅光電池又可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池。它們的轉(zhuǎn)換效率都高且性能穩(wěn)定。 單晶硅光電池有兩種系列： 2DR型

49、是以P型硅為基底，在基底上摻5價元素磷構(gòu)成P N結(jié)；2CR型是以N型硅為基底，在基底上摻3價元素硼構(gòu)成P N結(jié)。 再經(jīng)過加工，引出電極，構(gòu)成光電池99 多晶硅光電池 因多晶硅材料價格便宜，且不受晶體大小的限制，所以可制成大面積的光電池。如圖101-2下，在金屬基極板上鍍一層SiO2 和Al的保護層，防止雜質(zhì)擴散，在上面再分別涂一層P型和N型多晶硅。這種電池可以做得很薄，厚度約10-20m。單片太陽能光電池的電壓一般很低，躍為0.6V，輸出電流很小，常把很多片光電池組裝作為電池使用。光電流的大小與電池的面積成正比，組裝電池時，可串聯(lián)以提高輸出電壓，也可并聯(lián)以增大輸出電流。為了在無光照射時仍能供電

50、，常將光電池組與蓄電池組裝在一起使用。應(yīng)注意工作溫度，當(dāng)硅光電池的溫度超過200 ，硒光電池的溫度超過50 ，它們的晶格就會受到破壞，導(dǎo)致器件損環(huán)。1001011021036.7 液晶2012 早在1888年，奧地利生物學(xué)家萊尼茨爾（F.Reinitzer）在加熱膽甾(zai)醇苯甲酸酯晶體時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到145.5C時，晶體熔化成混濁粘稠的液體，繼續(xù)升溫至178.5C，才突然變成清亮的液體。在145.5C和178.5C之間，該物質(zhì)處于既不是液態(tài)也不是固態(tài)的中間態(tài)，這就是液晶態(tài)。 處于液晶態(tài)的物質(zhì)，既有液體的流動性，又有類似晶體結(jié)構(gòu)的有序性和各向異性，從而具有晶體的一些特殊的熱，電，磁，光等

51、性質(zhì)，所以可以說液晶態(tài)是物質(zhì)存在的第四態(tài)。我們把能夠出現(xiàn)液晶態(tài)的物質(zhì)稱為液晶。 104 液晶自從發(fā)現(xiàn)至今，經(jīng)歷了漫長的歷史時期： 20世紀(jì)50年代末，隨著人們對凝聚態(tài)物質(zhì)研究的深入，液晶研究得到了迅速發(fā)展。 60年代末期，發(fā)現(xiàn)了液晶的動態(tài)散射現(xiàn)象，使其顯露出光明的應(yīng)用前景。 此后，液晶顯示器件迅速占領(lǐng)了市場。 如今，從液晶彩色電視機到筆記本電腦，液晶的應(yīng)用越來越廣泛，液晶的研究也越來越深入。 105一、一、 液晶的分類液晶的分類 就形成液晶方式而言，液晶可分為 熱致性液晶 溶致性液晶 熱致性液晶是加熱液晶物質(zhì)時形成的液晶，萊尼茨爾首次發(fā)現(xiàn)的液晶物質(zhì)，膽甾醇苯甲酸酯，就是一種熱致性液晶。 另一種

52、形成液晶的方式是在某種物質(zhì)中加入溶劑，溶解后形成液晶，這就是溶致性液晶。 溶致性液晶在自然界中廣泛存在，多數(shù)生物組織如腦，神經(jīng)，細(xì)胞，血液等都是由溶致性液晶構(gòu)成的。就連普通的肥皂水也是一種溶致性液晶。 不過，顯示器件中應(yīng)用的都是熱致性液晶，下面我們主要介紹熱致性液晶。106液晶分子多為棒狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)分子排列方式的不同，熱致液晶又可以分為以下幾種類型。 1、近晶型液晶（層狀液晶）如圖20-15（a），近晶型液晶的棒狀分子平行排列，并形成層狀結(jié)構(gòu)，分子的長軸方向常與層面垂直。圖中e為分子長軸方向的單位矢量，稱為指向矢指向矢。由于同一層內(nèi)相鄰分子間的相互作用強于層間的相互作用，所以近晶型液晶分子一般

53、只能在層內(nèi)活動只能在層內(nèi)活動。1072、向列型液晶（絲狀液晶）向列型液晶分子的長軸也互相平行，但不排列成層，如圖20-15（b）所示，分子可以上下，左右，前后滑動，對外力相當(dāng)敏感，向列型液晶是目前液晶顯示器件的主要材料。1083、膽甾型液晶（螺旋狀液晶）膽 型液晶也具有層狀結(jié)構(gòu)。如圖20-15（c）所示，層內(nèi)分子長軸方向相互平行，但不同層的分子長軸方向稍有變化。多層分子的排列方向逐漸形成螺旋狀。相鄰兩層分子長軸的扭角約為15。分子長軸排列方向轉(zhuǎn)過360度時，最外兩端的分子之間相隔的距離d叫螺距。 109110二二 、液晶的各向異性和電光效、液晶的各向異性和電光效應(yīng)應(yīng) 由于液晶具有特殊的分子排列

54、結(jié)構(gòu)，其在平行于分子長軸方向上和垂直于分子長軸方向上的物理常數(shù)（如折射率，電容率，磁化率，電導(dǎo)率等）各不相同。 因此，液晶是各向異性的材料，這對液晶的光學(xué)性質(zhì)具有重要的影響。 液晶除了具有雙折射，旋光性等光學(xué)特性外，還具有電光效應(yīng)和磁光效應(yīng)， 其中電光效應(yīng)電光效應(yīng)是致使液晶作為顯示器件應(yīng)用的重要原因，下面就來介紹幾種基本的電光效應(yīng)。 1111、扭曲向列型效應(yīng) 在兩片經(jīng)過表面處理的玻璃基片之間裝入一薄層液晶，就形成了液晶盒， 液晶盒的厚度通常為幾十微米。 若通過處理使玻璃基片沿一定方向形成溝槽，可使液晶分子的長軸沿溝槽方向排列。112 在圖20-16中液晶盒被置于起偏器和檢偏器之間，并使它們的偏

55、振化方向互相平行。液晶盒中的玻璃基片經(jīng)過處理，使得液晶分子成沿面排列狀態(tài)，即分子長軸方向與玻璃基片平行，但下面玻璃基片的溝槽方向相對上面基片的內(nèi)槽方向扭轉(zhuǎn)了90，這樣，向列型液晶的內(nèi)部就發(fā)生了分子的扭曲。113 如圖20-16（a）所示，在無外加電場時，經(jīng)過起偏器入射到液晶盒中線偏振光順著分子長軸扭曲的方向旋轉(zhuǎn)，射出液晶盒時偏振光的方向已旋轉(zhuǎn)了90 因此，這時沒有光能通過檢偏器，液晶盒看上去不透明。114 當(dāng)加入超過一定閾值的外電場后，若液晶分子的偶極矩與分子長軸方向平行，則分子長軸轉(zhuǎn)為沿電場方向排列，如圖20-16（b）所示，這時入射到液晶盒中的偏振光不再產(chǎn)生偏振方向上的扭轉(zhuǎn)，因此能夠通過檢

56、偏器，液晶盒轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳌＿@一現(xiàn)象叫做扭曲向列型效應(yīng)，它是許多常見的液晶顯示應(yīng)用的基礎(chǔ)。 115 扭曲向列型效應(yīng): 無外電場 不透明 有外電場 透明1162、動態(tài)散射效應(yīng)將向列型液晶注入帶有透明電極的液晶盒內(nèi)，加上外電場。當(dāng)所加電壓超過一定閾值時，透明的液晶變得不透明了。斷電后，液晶又恢復(fù)其透明狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為液晶的動態(tài)散射。對于動態(tài)散射的解釋比較復(fù)雜，可以這樣認(rèn)為：在外加電場作用下，液晶內(nèi)部的雜質(zhì)離子等空間電荷形成電流。運動的電荷與液晶分子發(fā)生碰撞，引起液晶的宏觀流動，導(dǎo)致向列型液晶分子的排列處于一定的無規(guī)狀態(tài)，這樣，分子長軸的取向有序性只存在于微米尺度范圍內(nèi)。于是，以這些微小體積為邊界形成

57、了對以這些微小體積為邊界形成了對入射光的若干散射中心入射光的若干散射中心，對入射光產(chǎn)生強烈的散射，使液晶盒由透明變?yōu)椴煌该鳌?17 動態(tài)散射效應(yīng) 無外電場 透明 有外電場 不透明 動態(tài)散射現(xiàn)象屬于電流效應(yīng)型的電光效應(yīng)，這一效應(yīng)是導(dǎo)致向列型液晶在顯示器件方面得到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。1183、電控雙折射效應(yīng)液晶具有雙折射性，液晶分子的長軸就是光軸。圖20-17是一種電控雙折射效應(yīng)的原理圖。將分子長軸垂直液晶盒表面排列的向列型液晶放入一起偏器和一檢偏器之間，起偏器和檢偏器的偏振化方向互相垂直不加外電壓時，如圖20-17（a）所示，入射光沿光軸方向傳播，不產(chǎn)生雙折射，因此沒有光能透過檢偏器，液晶盒

58、為黑色。如果液晶盒中的向列型液晶分子的電偶極矩與分子長軸方向垂直，那么，液晶分子的長軸在外電場中有沿垂直于電場方向排列的趨向。119 所以，當(dāng)外加電壓超過一定閾值Uth后，除了電極表面附近的液晶分子仍保持原樣附著于電極外，大多數(shù)分子的長軸會偏離電場方向一定角度，這就導(dǎo)致入射光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象形成橢圓偏振光，有部分光線能通過檢偏器，如圖20-17（b）所示，的值隨外電壓的增大而增加，當(dāng)正好等于90時，透射光的強度最大，液晶盒完全透明。120電控雙折射效應(yīng) 無外電場 不透明 有外電場 透明 這種用電場控制產(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象稱為電控雙折射，它屬于電場型的電光效應(yīng)。電控雙折射可應(yīng)用于彩色顯示。1214、賓

59、主效應(yīng)若把對可見光的吸收具有各向異性的兩色性染料物質(zhì)溶解于特定排列的液晶中，通常情況下，呈長棒狀的染料分子會與液晶分子相互平行地排列。外加電場以后，液晶分子排列發(fā)生變化，染料分子的排列也隨之發(fā)生變化，這樣就可以用外加電場來改變?nèi)玖系念伾Ｒ驗樵诖诵?yīng)中，液晶是“主”，染料是“賓”，所以叫做賓主效應(yīng)。122 不僅向列型液晶具有賓主效應(yīng)，膽 甾型液晶也具有賓主效應(yīng)， 不過，賓主效應(yīng)顯示的不是自然色而是染料無電場時的顏色和施加電場時的顏色。 賓主效應(yīng)也屬于電場型效應(yīng)。123除了上面所講的幾種電光效應(yīng)外，液晶的電光效應(yīng)還有很多。下表所示為液晶的各種電光效應(yīng)。膽甾型效應(yīng)近晶型效應(yīng)熱效應(yīng)型相變效應(yīng)扭曲向列

60、型效應(yīng)賓主效應(yīng)電控雙折射效應(yīng)電場效應(yīng)型動態(tài)散射效應(yīng)電流效應(yīng)型電光效應(yīng)124三三 、液晶的應(yīng)用、液晶的應(yīng)用 液晶的電光效應(yīng)及其他有關(guān)光學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于顯示器件領(lǐng)域。自從1968年第一臺液晶顯示器問世以來，計算器，手表中的液晶顯示是液晶顯示的第一代應(yīng)用。 液晶在電子翻譯機，游戲機，液晶電視中的應(yīng)用則屬于第二代應(yīng)用 而目前已進入第三代發(fā)展階段，用于筆記本電腦，便攜式彩電，高分辨大屏幕顯示，高速快門等高科技領(lǐng)域。 125 圖20-18所示為一種靜態(tài)驅(qū)動的4位液晶數(shù)字顯示器的電極連線示意圖，每位數(shù)字符號有個段電極，每個段電極用引線與外電路相連，而所有數(shù)字的背電極連成一體，形成公共電極（為方便觀看，圖中