光輻射與發(fā)光器件

光輻射與發(fā)光器件第一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第一章光輻射與光源§1-1光譜與光子能量§1-2輻射的基本概念§1-3光源的基本特性參數(shù)和選擇§1-4常用光源簡介第二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日§1-1光譜與光子能量光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。1860年麥克斯韋（C.Maxwell)提出光是電磁波的理論；1900年,普朗克（Max.Planck)提出了輻射的量子論；1905年，愛因斯坦（Albert.Einstein)將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。

麥克斯韋（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

愛因斯坦（1879-1955）

（一）光波的基本性質(zhì)第三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光子就是“光子”圓柱就是“圓柱”測量測量圓矩形如何理解波粒二象性？測量測量粒子性波動性我們所看到的宇宙或許就是一個簡單的投影！微觀粒子的行為取決于我們的觀察方式?。〉谒捻?，共一百一十一頁，2022年，8月28日§1-1光譜與光子能量光在傳播時表現(xiàn)出波動性，如光的干涉、衍射、偏振。

光與物質(zhì)作用時表現(xiàn)出粒子性，如光的反射、折射、吸收、發(fā)射、色散、散射、光電效應(yīng)等。第五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

電磁波譜分為長波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時覆蓋此區(qū)域。使用光學(xué)透鏡來接收輻射或聚焦成像。

第六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日電磁波譜及光譜圖第七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光色波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍注意：光波的常用單位還有埃?，1?＝10-10m人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近。第八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

光子能量公式：ε=hν

光子動量公式：p=hν/c=h/λ（二）光子能量h=6.624×10-34焦耳·秒

光電轉(zhuǎn)換一般使用固體材料，利用其量子效應(yīng)。從固體能級來說，從0.1ev到幾個ev能量的轉(zhuǎn)換比較容易，即比較容易在十幾微米的紅外到0.2微米左右的紫外范圍內(nèi)進行高效率的能量轉(zhuǎn)換。1ev（電子伏特）=1.602×10-19焦耳第九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日§1-2輻射的基本概念光電系統(tǒng)可以看作是光能的傳遞和接收系統(tǒng)。輻射能從目標(biāo)(輻射源)發(fā)出后經(jīng)過中間介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)，最后被光電器件接收。輻射能的強弱可由輻射度學(xué)量和光度學(xué)量來描述。第十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.2.1輻射度學(xué)(Radiometry)

熱輻射是物體以電磁波形式向外發(fā)射能量的過程，這個物體即輻射源。任何物體的溫度超過絕對零度時都能產(chǎn)生輻射，即熱輻射或溫度輻射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能

。（一）熱輻射現(xiàn)象（二）輻射源

太陽輻射波長主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長平均為0.5微米；地面和大氣輻射波長主要為3-120微米，其中最大輻射波長平均為10微米。習(xí)慣上稱前者為短波輻射，后者為長波輻射。第十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.2.1輻射度學(xué)(Radiometry)

用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；輻射度學(xué)適用于整個電磁波譜的能量計算。主要用于X光、紫外光、紅外光以及其它非可見的電磁輻射。第十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

1.

輻射能Qe：

以電磁波形式發(fā)射、傳播或接收的能量。單位為焦[耳](J)2.輻射通量Φe（輻射功率Pe）：

單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能，是輻射能的時間變化率，單位為瓦[特](W)

描述輻射場的物理量第十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

3.輻射強度Ie：輻射源在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位為瓦每球面度()

定義：RA第十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日所有方向上輻射強度都相同的點輻射源在有限立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量：各向同性點光源，在空間所有方向（）上發(fā)射的輻射通量：注意：Ie是有方向的量。第十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日某個方向上的發(fā)光強度點輻射源整個空間輻射能量實際上，一般輻射源多為方向性的輻射源，其輻射強度隨方向而變化，可用極坐標(biāo)輻射強度表示。第十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

4.輻射照度Εe：

dA是投射輻通量dΦe的接收面面積元

描述輻射接收面所接收的輻射特性

單位受光面積上所接收的輻射通量，單位為瓦每平方米()第十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日5.輻射出射度Μe：

描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性，也稱為發(fā)射本領(lǐng)或輻射通量密度。

dΦe是擴展源表面dS（通常為半空間2立體角）在各方向上所發(fā)出總的輻射通量擴展輻射源單位面積所輻射的通量，單位為瓦每平方米()

第十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

輻射出射度Μe與輻射照度Ee的比較第十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日面輻射源在某一方向上的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：瓦每球面度平方米()6.輻射亮度Le:注意：Le也具有方向性。第二十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻通量各不相同?？偟妮椡繛楦鱾€組成波長的輻通量的總和。

以上物理量均未涉及輻射的頻譜分布，但輻射場實際上是有不同頻譜的電磁波組成。第二十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日0輻通量的光譜分布曲線第二十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日即輻射源發(fā)出的光在波長處的單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。單位為瓦每微米或者瓦每納米(或)給定波長λ處極小波長間隔dλ內(nèi)的輻通量dΦe稱為單色輻通量。

——輻射量的光譜密度7.光譜輻射量:第二十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

單色輻通量的積分為全色輻通量

多色輻通量第二十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光譜輻射出射度光譜輻射亮度輻射源的總輻射通量對其它輻射量也有類似的關(guān)系。用一般的函數(shù)表示：光譜輻照度8.其它輻射量與光譜輻射量的對應(yīng)關(guān)系:第二十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.2.2光度學(xué)(Photometry)以人的視覺習(xí)慣為基礎(chǔ)建立的主觀物理量；光度學(xué)研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量；光度學(xué)是輻射度學(xué)的一部分或特例。這兩套參量的名稱、符號、定義式彼此對應(yīng)，基本都相同，只是單位不同。為了區(qū)別這兩種量，規(guī)定用下標(biāo)e和v表示。第二十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.

光量Qv:

光通量對時間的積分。流[明]秒(lm·s)

光度的基本物理量

2.

光通量Φv:

發(fā)光強度為Iv的光源，在立體角元dΩ內(nèi)的輻通量，dΦv=Iv·dΩ。流[明](lm)。是光輻射通量對人眼所引起的視覺強度值。第二十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光度量中的基本量，單位為坎德拉cd。cd的意義為：頻率為的單色輻射在給定方向上的輻射強度

時，規(guī)定為1cd。七個國際基本單位之一。3.

發(fā)光強度Iv:第二十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日4.

光出射度Μv:

離開表面一點處面元的光通量除以該面元面積。流[明]每平方米(lm·m-2)

5.

[光]照度Εv:

照射到表面一點處面元上的光通量除以該面元的面積。勒[克斯](lx)第二十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日6.

[光]亮度Lv:

表面一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。坎[德拉]每平方米(cd·m-2)7.

曝光量H:

光照度對時間的積分。勒[克斯]秒(lx·s)第三十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

兩種度量單位的轉(zhuǎn)換

1.光譜光視效能K(λ)

許多接收器所能感受的波長是有選擇性的，接收器對不同波長電磁輻射的響應(yīng)程度(反應(yīng)靈敏度)稱為光譜響應(yīng)度或光譜靈敏度。對人眼來說采用光譜光視效能K(λ)來表征不同波長輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K(λ)為同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比:

第三十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.光譜光視效率（視見函數(shù)）V(λ)

由于人眼在頻率為(λm=555nm，該波長稱為峰值波長)的輻射下，K(λ)最大，記以，即光功當(dāng)量。定義光譜光視效率V(λ)為某一波長的光譜光視效能與最大光譜光視效能Km之比：V(λ)又稱為視見函數(shù)。根據(jù)對許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計出各種波長的平均相對靈敏度。第三十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光譜光視效率V(λ)曲線光譜光視效率曲線第三十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.00.80.60.40.20380460540620700波長為555nm的光和任意波長的光產(chǎn)生同樣亮暗感覺所需的輻射通量之比

第三十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第三十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

光度量與輻射量的關(guān)系光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。由于人眼對不同波長的光的感光靈敏度不一樣，能量相同而波長不同的光，在人眼中引起的視覺強度不相同。第三十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日輻射度量和光度量對照表

第三十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日必須注意，不要把照度跟亮度的概念混淆起來。它們是兩個完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度與光源至被照面的距離的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物體表面是面光源時的發(fā)光特性。如果光源與觀察者眼睛之間沒有光吸收現(xiàn)象存在，那么亮度值與二者間距離無關(guān)。亮度與照度區(qū)別第三十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日幾種輻射源的光亮度輻射源亮度（坎德拉/平方厘米(cd·cm-2)）太陽表面2×105碳弧燈1×10460瓦除去光澤的白熾燈9陰極射線管540瓦白熾燈0.5白色發(fā)光漆3×10-6He-Ne激光器（10mW，d=1mm）7×107第四十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日兩款攝影用測光表，可以測量亮度第四十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日幾種輻射源產(chǎn)生的光照度輻射源照度（流明/平方米(lm·m-2)）He-Ne激光器（10nW，d=1mm）10米外5×105太陽（處于天頂位置）1.2×105晴朗天空1×104陰天1×103全月（處于天頂位置）0.27無月的陰暗天空1×10-4距60瓦白熾燈1米處1×102第四十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日常見照度計第四十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日LED的光參數(shù)第四十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日了解知識熱輻射的基本物理量：輻射本領(lǐng)吸收率發(fā)射率絕對黑體熱輻射的基本定律：基爾霍夫定律蘭伯特定律距離平方反比定律亮度守恒定律

普朗克定律

維恩位移定律斯忒藩－玻耳茲曼定律第四十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光源分為自然光源和人工光源；自然光源是自然界中存在的光源，如太陽、恒星等。人工光源是人為將各種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能量的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源?！?-3光源的基本特性參數(shù)和光源的選擇1.3.1基本概念第四十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光源----自然螢火蟲陽光螢光水母第四十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光源—非自然第四十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光源—非自然斑馬魚第四十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日激光第五十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第五十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第五十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.輻射效率1.3.2光源的基本特性參數(shù)在給定的λ1~λ2波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率比稱為在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。

第五十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.發(fā)光效率1.3.2光源的基本特性參數(shù)某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比稱為該光源的發(fā)光效率。第五十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。3.光譜功率分布

自然光源和人造光源大都是由多單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來進行描述。決定光源顏色的客觀因素就是它的光譜功率分布；典型白光LED相對光譜分布曲線第五十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日峰值波長λ2－λ

1：譜線帶寬，即半峰值寬度。第五十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日3.光譜功率分布0(a)線狀光譜0(b)帶狀光譜0(c)連續(xù)光譜0(d)混合光譜

低壓汞燈激光

高壓汞燈高壓鈉燈熱輻射光源鎢燈日常熒光燈第五十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日典型光譜功率分布曲線第五十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日常見的幾種光譜分布第五十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜功率分布第六十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日4.空間光強分布

利用配光曲線，提高光的利用率對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上自原點向各個徑向取矢量，就得到了光源在該截面的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。配光曲線表示一個燈具或光源發(fā)射出的光強在空間中的分布情況。第六十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日5.光源的分布溫度

輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。

用黑體輻射特性近似表示一般非黑體輻射光源的輻射特性黑體的溫度決定了它的光輻射特性，對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性近似的表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。第六十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日5.光源的色溫

輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。

由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。

請注意，光源的色溫與光源本身的溫度是兩回事，通常兩者是不相同的。例如白熾燈光源本身溫度為2800K，但其色溫是2845K。第六十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日幾種標(biāo)準(zhǔn)光源

A光源：色溫為2845K，相當(dāng)于白熾燈在2800K時輻射出的光。

B光源：相關(guān)色溫為4800K，相當(dāng)于中午直射的日光。

C光源：相關(guān)色溫為6700K，相當(dāng)于白天的自然光，它的藍色成分較多。

D65光源：相關(guān)色溫為6500K，相當(dāng)于白天平均光照。

標(biāo)準(zhǔn)光源和色溫

第六十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日4.光源的色溫

當(dāng)絕對黑體的溫度增高時，最大的發(fā)射本領(lǐng)向短波方向移動,所以色溫較高的光源，其發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光和藍光之中；而色溫較低的光源，其輻射能較多地分布在波長較長的紅光中。因此，在上述幾種標(biāo)準(zhǔn)白光中，色溫較低者，偏紅；色溫較高時，偏藍。第六十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日絕對黑體溫度與輻射峰值波長對應(yīng)值絕對黑體溫度（K）1000200030004000500060007000輻射峰值波長（um）2.8981.4490.9660.7250.5800.4830.415第六十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日不同色溫的光源在色度圖中的位置，可見不同色溫的光，其顏色也不同。第六十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日6.光源的相關(guān)色溫

對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色溫度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。平時我們所說的色溫大多是指相關(guān)色溫。

人工光源中，只有白熾燈與黑體加熱發(fā)光相似，其色溫為2856K，呈現(xiàn)的昏黃色與黑體在2856K時發(fā)出的顏色一樣，而燈絲也接近此溫度。其它人工光源的光色，不是黑體輻射，只能比照黑體輻射同顏色時的溫度。

第六十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日色表：眼睛直接觀察光源時看到的顏色，即色表，是衡量光源色的指標(biāo)。

高壓鈉燈：黃色；熒光燈：白色7.光源的顏色

顯色性：光源照射到物體后，人眼所看到的物體外觀呈現(xiàn)的色彩客觀效果。用顯色指數(shù)Ra表示，是衡量光源視覺質(zhì)量的指標(biāo)。第六十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日顯色性好（Ra>70）顯色性差(Ra<65)發(fā)光體（太陽光）的顯色性Ra=100。即任何物體在太陽光的照射下，該物體具有最真實的顏色或質(zhì)感第七十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.3.3光源的選擇基本要求1.發(fā)光光譜特性2.發(fā)光強度3.穩(wěn)定性4.其它要求光譜范圍光譜功率分布提高系統(tǒng)的信噪比光譜匹配系數(shù)燈絲結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)光面積大小和構(gòu)成光源發(fā)光效率和空間分布燈泡玻殼形狀及均勻性第七十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日§1-4發(fā)光器件（光源）光的發(fā)生一般有兩種方式，即溫度輻射與發(fā)光。溫度輻射就是指物體在高溫加熱時的輻射，例如電燈變亮就是鎢絲加熱的結(jié)果。在溫度引起的輻射之外的物體固有的有選擇性的輻射現(xiàn)象統(tǒng)稱為發(fā)光。發(fā)光又因激發(fā)方式和物質(zhì)而有所不同，因此又分為光致發(fā)光，陰極射線發(fā)光，放射線發(fā)光，電致發(fā)光，注入式電發(fā)光等。第七十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日光源的分類

第七十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日電光源種類第七十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.1發(fā)光的機制和方法原子的能級

第七十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日輻射躍遷的三種基本過程1.4.1發(fā)光的機制和方法自發(fā)輻射受激吸收受激輻射第七十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.1發(fā)光的機制和方法第七十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

人造黑體輻射源1.4.2熱輻射光源第七十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.2熱輻射光源

白熾燈第七十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.2氣體放電光源

特點：發(fā)光效率高、壽命長、光色適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊。在適當(dāng)?shù)臈l件下，例如強電場、光輻射、粒子轟擊和高溫加熱等，組成氣體的分子可能發(fā)生電離，產(chǎn)生可自由移動的帶電粒子，并在電場作用下形成電流。因此，把電流通過氣體的現(xiàn)象稱為氣體放電，利用該原理發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。如熒光燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈、汞燈、金屬鹵化物燈、霓虹燈、激光等。第八十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.2氣體放電光源熒光燈第八十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.2氣體放電光源氙燈第八十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日輝光放電弧光放電氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種，放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種?；」夥烹姽庠窗ǎ簾晒鉄?、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈，高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈，超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈，以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣體放電燈。輝光放電光源包括輝光指示光源和霓虹燈，二者均為低氣壓放電燈；此外還包括某些光譜光源。第八十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氙燈近光第八十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第八十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日汽車高壓氙氣燈與鹵素?zé)舻膮^(qū)別第八十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日氣體放電燈第八十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1.4.3固體發(fā)光光源1.

粉末場致發(fā)光光源2.

薄膜場致發(fā)光光源3.

結(jié)型場致發(fā)光光源（發(fā)光二極管）第八十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)注入與復(fù)合而產(chǎn)生的一種半導(dǎo)體光源，是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。與激光器相比，它的結(jié)構(gòu)公差不需那么嚴(yán)格，而且無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔等條件要求。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。發(fā)光二極管第八十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日第九十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日發(fā)光原理第九十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體的特點：由于原子間的相互作用而使能級分裂，離散的能級形成能帶。分為價帶、導(dǎo)帶和禁帶。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)價帶：晶體中原子的內(nèi)層電子能級相對應(yīng)的能帶被電子所填滿，這種能帶稱為價帶；

導(dǎo)帶：價帶以上未被電子填滿或者是空的能帶稱為導(dǎo)帶；

禁帶：導(dǎo)帶和價帶之間的能隙稱為禁帶。導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芗夐g隙就是禁帶寬度Eg。Eg價帶導(dǎo)帶禁帶費米能級EF純凈（本征）半導(dǎo)體在絕對零度的理想狀態(tài)下有一個被電子完全充滿的價帶和一個完全沒有電子的導(dǎo)帶，二者之間是禁帶。這是半導(dǎo)體是一個不導(dǎo)電的絕緣體。但是本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg較小，在熱運動活其它外界激發(fā)的作用下，價帶的電子激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，這時導(dǎo)帶有了電子，價帶有了空穴，使本征半導(dǎo)體形成導(dǎo)電特性。電子和空穴都是電流的載流者，統(tǒng)稱為“載流子”第九十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體可分為本征半導(dǎo)體.P型半導(dǎo)體.N型半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體：硅和鍺都是半導(dǎo)體，而純硅和鍺晶體稱本征半導(dǎo)體。硅和鍺為4價元素，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。半導(dǎo)體類型雜質(zhì)半導(dǎo)體的形成：通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。第九十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日

N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體：由于雜質(zhì)原子的最外層有5個價電子，所以除了與周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子，顯負電性。這N是從“Negative（負）”中取的第一個字母。第九十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日結(jié)論：N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強。多子：N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。少子：空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。第九十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體：在純凈的4價本征半導(dǎo)體（如硅晶體）中混入了3價原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體?？昭ǖ漠a(chǎn)生：由于雜質(zhì)原子的最外層有3個價電子，當(dāng)它們與周圍的硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”（空位電中性），當(dāng)硅原子外層電子由于熱運動填補此空位時，雜質(zhì)原子成為不可移動的負離子，同時，在硅原子的共價鍵中產(chǎn)生一個空穴，由于少一電子，所以帶正電。P型取“Positve（正）”一詞的第一個字母。P型半導(dǎo)體第九十六頁，共一百一十一頁，2022年，