第1章第1節(jié)理論基礎(chǔ)新

§1.1理論基礎(chǔ)

§1.1.1能帶理論

§1.1.2光電發(fā)射效應(yīng)

§1.1.3光電導(dǎo)效應(yīng)

§1.1.4光伏效應(yīng)

§1.1.5熱釋電效應(yīng)第一章：光電信息技術(shù)物理基礎(chǔ)光學(xué)Optics

（古希臘）

以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ)——各種光學(xué)儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、經(jīng)緯儀、光譜儀）。

以電磁輻射為研究對(duì)象（黑體輻射）——以光與物質(zhì)相互作用為主要研究?jī)?nèi)容（光電效應(yīng)、光探測(cè)器、新型光源）。電子學(xué)Electronics(1910年)

研究電子運(yùn)動(dòng)的各種物理過程和物理現(xiàn)象并加以廣泛利用的科學(xué)。研究電波的振蕩、傳播，電信號(hào)的放大、變換，頻率的穩(wěn)定，混合，檢波等等——半導(dǎo)體微電子學(xué)。光電子學(xué)Opto-electronics(1955)

光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。將電子學(xué)使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學(xué)所不可能產(chǎn)生的許多新功能。以前由電子方法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用光學(xué)方法來完成——光電子技術(shù)。光子學(xué)Photonics(1970)

關(guān)于光子的科學(xué)及其應(yīng)用。描述光子在信息傳輸中的應(yīng)用，包括光子束的產(chǎn)生、導(dǎo)波、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、放大，圖象處理、存儲(chǔ)和探測(cè)”。激光——光子時(shí)代的領(lǐng)銜主角。本課程學(xué)什么？介紹光電檢測(cè)技術(shù)的物理基礎(chǔ)、電光信息轉(zhuǎn)換、光電信息轉(zhuǎn)換和光電測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用。原子核用能級(jí)表示電子繞核運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)E0基態(tài)1SE2激發(fā)態(tài)2PE1激發(fā)態(tài)2S1.1.1能帶理論原子中電子的能級(jí)能帶是現(xiàn)代物理學(xué)描寫固體中原子外層電子運(yùn)動(dòng)的一種圖象。導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體的區(qū)別是什么？各有什么不同的用途？導(dǎo)體絕緣體和半導(dǎo)體能帶有何異同?

半導(dǎo)體是什么意思?

導(dǎo)體的導(dǎo)電原理

什么是半導(dǎo)體？

什么叫半導(dǎo)體材料?

怎樣知道一個(gè)物品是導(dǎo)體還是絕緣體?

半導(dǎo)體中的芯片是什么?

①壓敏性：有的半導(dǎo)體在受到壓力后電阻發(fā)生較大的變化．

用途：制成壓敏元件，接入電路，測(cè)出電流變化，以確定壓力的變化．

②熱敏性：有的半導(dǎo)體在受熱后電阻隨溫度升高而迅速減小．

用途：制成熱敏電阻，用來測(cè)量很小范圍內(nèi)的溫度變化．半導(dǎo)體的一些電學(xué)特性

價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶：能量最高的被價(jià)電子填滿的能帶導(dǎo)帶：價(jià)帶以上的能帶基本上是空的,

其中能量最低的能帶禁帶：價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域能帶理論晶體中原子的能帶圖1.1.1-2鈉原子的能級(jí)和結(jié)晶格中的能帶之比較電子可以在某些整個(gè)能帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體中的能帶考慮一種如圖所示能帶結(jié)構(gòu)的金屬，這種能帶結(jié)構(gòu)可能相當(dāng)于鈉(Z=11)的能級(jí)。結(jié)論：具有如圖所示那樣能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)應(yīng)為良導(dǎo)體，換句話說，良導(dǎo)體(也稱金屬)是那些最高能帶未被完全填滿的固體。又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2)金屬能帶圖1.1.1-3導(dǎo)體內(nèi)的能帶價(jià)帶內(nèi)最上面的電子在外界電場(chǎng)的作用下，可產(chǎn)生集體運(yùn)動(dòng)！鈉是良導(dǎo)體疑問：如上面的分析，那么Mg(鎂)是否屬于良導(dǎo)體呢？

6)2s(1鎂s222p3s2晶體能帶sspsp未滿帶1223滿

帶半滿帶3能帶重疊結(jié)論：實(shí)際上由于最高能帶可能發(fā)生重疊，鎂的3S電子可分布在

3S和3P能帶中，因此鎂應(yīng)為良導(dǎo)體。對(duì)有些物質(zhì)，它們的原子具有滿充殼層，但是在固體時(shí)由于最上面的滿帶和一個(gè)空帶重疊的話，便成為導(dǎo)體，常稱這些物質(zhì)為半金屬。半金屬能帶絕緣體的能帶現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，最高能帶即價(jià)帶是滿的，而且不與下一個(gè)全空的能帶重疊,如圖所示。結(jié)論：絕緣體最上面的價(jià)帶是滿的，同時(shí)和下一個(gè)空帶之間有幾個(gè)電子伏特能隙的固體。絕緣體能帶

圖1.1.1-5絕緣體半導(dǎo)體的能帶注意：半導(dǎo)體的能帶與絕緣體的能帶很相似，只不過價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙比絕緣體的要小得多。因此，半導(dǎo)體是一種絕緣體，但它們的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙約為1eV或更小。現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，該物質(zhì)的最高能帶是滿的，而且不與下一個(gè)全空的能帶重疊。完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。含有缺陷和雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。半導(dǎo)體分類實(shí)際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導(dǎo)體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。因此半導(dǎo)體分為兩類：本征半導(dǎo)體：完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體(摻有施主雜質(zhì)原子，有額外的電子)P型半導(dǎo)體(摻有受主雜質(zhì)原子，有額外的空穴)1.1.2光電發(fā)射效應(yīng)物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)或稱光電發(fā)射效應(yīng)，這種現(xiàn)象多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。典型光電器件：光電管、光電倍增管。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光電熱效應(yīng)光電子能譜（photoelectronspectroscopy），利用光電效應(yīng)的原理測(cè)量單色輻射從樣品上打出來的光電子的動(dòng)能（并由此測(cè)定其結(jié)合能）、光電子強(qiáng)度和這些電子的角分布，并應(yīng)用這些信息來研究原子、分子、凝聚相，尤其是固體表面的電子結(jié)構(gòu)的技術(shù)。對(duì)固體而言，光電子能譜是一項(xiàng)表面靈敏的技術(shù)。雖然入射光子能穿入固體的深部，但只有固體表面下20～30埃的一薄層中的光電子能逃逸出來（光子的非彈性散射平均自由程比電子的大10～10倍）,因此光電子反映的是固體表面的信息。在光電器件中，光電管、光電倍增管和某些光電器件都是建立在光電發(fā)射效應(yīng)基礎(chǔ)上的。典型應(yīng)用一、外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）是指物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象。1、光電發(fā)射第一定律當(dāng)入射光線的頻譜成分不變時(shí)，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK

與被陰極所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK為表征光電發(fā)射靈敏度的系數(shù)。用光電探測(cè)器進(jìn)行光度測(cè)量、光電轉(zhuǎn)換的一個(gè)最重要的依據(jù)。

2、光電發(fā)射第二定律

發(fā)射出光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強(qiáng)無關(guān)。即光電子發(fā)射的能量關(guān)系符合愛因斯坦方程：h：普朗克恒量（6.626055±0.0000040×10-34J.s）；V：入射光頻率；me：

光電子的質(zhì)量；vmax:

出射光電子的最大速率；φO:

光電陰極的逸出功。

3、光電發(fā)射第三定律

當(dāng)光照射某一給定金屬或某種物質(zhì)時(shí)，無論光的強(qiáng)度如何，如果入射光的頻率小于這一金屬的紅限ν0，就不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射。顯然，在紅限處光電子的初速應(yīng)該為零，因此，金屬的紅限為4、光電發(fā)射的瞬時(shí)性光電發(fā)射的瞬時(shí)性是光電發(fā)射的一個(gè)重要特性。實(shí)驗(yàn)證明，光電發(fā)射的延遲時(shí)間不超過3×10-13s的數(shù)量級(jí)。因此，實(shí)際上可以認(rèn)為光電發(fā)射是無慣性的，這就決定了外光外光電效應(yīng)器件具有很高的頻率響應(yīng)。光電發(fā)射瞬時(shí)性的原因是由于它不牽涉到電子在原子內(nèi)遷移到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的物理過程。

光電發(fā)射不僅發(fā)生在物體的表面層，而且還深入到陰極材料的深層，通常稱為光電發(fā)射的體積效應(yīng)。而前者則稱為光電發(fā)射的表面效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：是指固體受到光照而改變電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。

入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應(yīng)的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質(zhì)能級(jí)到某一能帶限的距離)。即光電導(dǎo)有一個(gè)最大的響應(yīng)波長(zhǎng)，稱為光電導(dǎo)的長(zhǎng)波限λC，若