光電檢測輻射度與光度量

光電檢測輻射度與光度量第1頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

光輻射：通常把對應(yīng)于真空中的波長在380nm到780nm范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。廣義地講，X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射都可以叫光輻射。光源：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù)中的光源可分為自然光源和人造光源兩類。第2頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月長波區(qū)射線區(qū)光學區(qū)第3頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★另一類是生理的，叫作光度學量，是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度，即光度量是具有標準人眼視覺特性的人眼所接受到輻射量的度量。在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類:★一類是物理的，叫作輻射度學量，是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；第4頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。

2、輻射能密度we

:光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。第5頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、輻射通量Φe：又稱輻射功率，是輻射能的時間變化率，單位為瓦(1W=1J/s)，是單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。

4、輻射強度

Ie：輻射強度定義為從一個點光源發(fā)出的，在單位時間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為W／sr(瓦每球面度)，第6頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月5、輻射亮度Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為(瓦每球面度平方米)。第7頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

6、輻射出射度Me：輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，dΦe

是擴展源表面dA在各方向上(通常為半空間立體角)所發(fā)出的總的輻射通量，單位為瓦/米2(瓦每平方米)。

7、輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量，單位為(瓦每平方米)。dA是投射輻射通量的面積元。第8頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

★輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。

對于理想的散射面，有

Ee=Me

第9頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量的光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。

第10頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光譜輻射通量Φλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量。單位為(瓦每微米)或(瓦每納米)。

在波長λ處的光譜輻射通量為

在整個光譜內(nèi)，總的輻射通量為第11頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光譜輻射強度Iλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射強度。

2、光譜輻射出射度Mλ：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度。第12頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月4、光譜輻射亮度Lλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度。

5、光譜輻射照度Eλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射照度。第13頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、關(guān)于輻射度量，正確的是（）A、Ee是描述擴展輻射源向外發(fā)射的輻射特性B、Ie為從一個點光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的輻射能

C、

對于理想的散射面，有Ee=Me

D、

Φe是輻射能的時間變化率

小測試第14頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

在任何條件下，完全吸收任何波長的外來輻射而無任何反射的物體。吸收系數(shù)為1。

對于各種波長的電磁波的吸收系數(shù)為常數(shù)且與波長無關(guān)的物體，其吸收系數(shù)介于0與1之間的物體。2、什么是黑體？3、什么是灰體？第15頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

★由于大部分光源是作為照明用的，而且照明的效果最終是以人眼來評定的，因此照明光源的光學特性必須用基于人眼視覺的光學參數(shù)量即光度量來描述。

★光度量是人眼對相應(yīng)輻射度量的視覺強度值。能量相同而波長不同的光，對人眼引起的視覺強度是不相同的。第16頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

光度量只在光譜的可見波段(380nm-780nm)才有意義。輻射度量符號單位光度量符號單位輻射能QeJ光量Qlm.s輻射通量Φ

eW光通量Φlm（流明）輻射強度IeW/sr發(fā)光強度Icd（坎德拉）=lm/sr輻射照度EeW/m2光照度Elx(勒克斯)=lm/m2輻射出射度MeW/m2光出射度Mlm/m2輻射亮度LeW/sr.m2光亮度Lcd/m2第17頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

光度量中最基本的單位是發(fā)光強度單位——坎德拉，記作cd，它是國際單位制中七個基本單位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強度為1／683Wsr-1時，在該方向上的發(fā)光強度為lcd。

光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強度為lcd的均勻點光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當于lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。

第18頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

人眼對各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度較差。

視見函數(shù)：國際照明委員會（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數(shù)。第19頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光通量Φ

：光輻射通量對人眼所引起的視覺強度值。

例：若在波長λ到λ＋dλ間隔之內(nèi)的光源輻射通量為Φe,λdλ。則光通量為

Km為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)，單位為流明/瓦，Km＝683lm/W，它表示在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V(λ)=1）處,與1w的輻射能通量相當?shù)墓馔繛?83lm；換句話，此時1lm相當于1/683W第20頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月2、發(fā)光強度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度。3、光出射度M：光源表面給定點處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點的光出射度。第21頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月4、光照度E：被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量，稱為該點的光照度。第22頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月距離平方反比定律

☆用點光源照明時，被照面的照度E與光源的發(fā)光強度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。

第23頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月證明第24頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月?如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為θ，則：?對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中ρ為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。第25頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月5、光亮度L：光源表面一點處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。θ為給定方向與面元法線間的夾角。6、光量Q：光通量Φ對時間的積分，稱為光量。第26頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、關(guān)于光度量，正確的是（）

A、輻射通量的單位為勒克斯

B、發(fā)光強度的單位為坎德拉

C、光通量的單位為流明

D、光照度的單位為坎德拉

小測試第27頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月2、國際單位制中7個基本單位有哪些？熱力學溫度（開爾文）物質(zhì)的量（摩爾）發(fā)光強度（坎德拉）長度（米）質(zhì)量（千克）時間（秒）電流（安培）第28頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月明視覺：錐狀細胞只對亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光譜范圍為可見光，在555納米處最為敏感，而且能分辨顏色。這種視覺功能稱為明視覺或錐體細胞視覺；暗視覺：亮度低于10-3cd/m2的時，桿狀細胞起作用。其敏感的光譜范圍為0.33微米~0.73微米，在507納米處最為敏感，不能分辨顏色。這種視覺功能稱為暗視覺或夜間視覺；第29頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月對于明視覺，刺激程度平衡條件為：其中：Km為555納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。光度參量輻射度參量第30頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月對于暗視覺，刺激程度平衡條件為：光度參量輻射度參量其中：為507納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。第31頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月一、填空題：1、通常把對應(yīng)于真空中波長在（）到（）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類，一類是（

），另一類是（

）。3、光具有波粒二象性，既是（

），又是（

）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（

），但當光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時就突出地顯示出光的（

）。

第32頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月二、簡答題：1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？2、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？

三、證明題：證明點光源照度的距離平方反比定律，兩個相距10倍的相同探測器上的照度相差多少倍？第33頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月四、計算題：已知某激光器的輸出功率為3mW，波長視見函數(shù)為0.24，試計算其發(fā)出的光通量。第34頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月物體按導電能力分：導體、絕緣體和半導體。做光電器件的主要材料為半導體，電阻率在10－6～10－3Ω?cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導體；電阻率大于1012Ω?cm以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導體。

第35頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

?半導體的電阻溫度系數(shù)一般是負的。它對溫度的變化非常敏感。?半導體的導電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。?半導體的導電能力及性質(zhì)會受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。一、半導體的特性第36頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月二、能帶理論★能級：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運動，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的。第37頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★“軌道”：電子出現(xiàn)幾率最高的部分區(qū)域?！锱堇幌嗳菰恚涸谝粋€原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個相同的電子同屬于一個量子態(tài)，即在每一個能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子。電子首先填滿最低能級，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。第38頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★能帶：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉(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，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴展為能帶。第39頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

★禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。

★價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價帶。

★導帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。

第40頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月允許帶（導帶）允許帶（價帶）允許帶（滿帶）禁帶禁帶第41頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★導帶的底能級表示為Ec（或E-），價帶的頂能級表示為Ev（或E+）

，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。導帶價帶禁帶第42頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

導體或半導體的導電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導體中的載流子是自由電子，半導體中的載流子則是帶負電的電子和帶正電的空穴。絕緣體、半導體、金屬的能帶圖a)絕緣體

b)半導體

c)金屬第43頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月?半導體兩端加電壓后:★如果價帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導帶，那么價帶中的電子是不導電的。價帶導帶禁帶(滿帶)第44頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★如果價帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導帶中，則價帶中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運動上迭加定向運動而形成電流。價帶導帶禁帶第45頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★由于導帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以導帶電子是可以導電的。價帶導帶禁帶第46頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月?價電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級是空的。價帶導帶禁帶第47頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、關(guān)于能帶理論，正確的是（）

A、價帶是允許帶B、導帶是滿帶

C、禁帶是允許帶

D、導帶是允許帶

2、關(guān)于半導體，錯誤的是（）

A、電阻溫度系數(shù)一般是正的

B、導電性能不受微量雜質(zhì)的影響

C、對溫度的變化非常敏感

D、導電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響

小測試第48頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月3、關(guān)于物體導電能力，正確的是（）

A、物體導帶上的電子越多，其導電能力越強。

B、物體導帶上的電子越少，其導電能力越強。

C、物體價帶上的電子越多，其導電能力越強。

D、物體價帶上的電子越少，其導電能力越強。第49頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

單晶——在一塊材料中，原子全部作有規(guī)則的周期排列。

多晶——只在很小范圍內(nèi)原子作有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。

現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導體材料制備，半導體材料大多為晶體（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無序排列）。晶體分為單晶與多晶：第50頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴本征半導體?完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導體稱為本征半導體?！镌跊]有外界作用和絕對零度時，本征半導體的導帶中沒有電子，價帶中沒有空穴，它是不導電的?！镉捎诎雽w的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價電子可以激發(fā)躍遷到導帶中，這樣本征半導體的導帶中有電子，價帶中有空穴，本征半導體就有了導電能力。第51頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月?晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。⑵雜質(zhì)半導體N型半導體P型半導體第52頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導體

在晶格中摻入某個硅原子被磷原子所替代，五價原子用四個價電子與周圍的四價原子形成共價鍵，而多余一個電子，此多余電子受原子束縛力要比共價鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價原子釋放，游離躍遷到導帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。

ED位于禁帶中，較靠近材料的導帶底EC

。ED與EC間的能量差稱為施主電離能。N型半導體由施主控制材料導電性。第53頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導體

晶體中某個硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個價電子和周圍的硅原子中四個價電子要組成共價鍵，形成八個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個電子變成負離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級EA

，也位于禁帶中。在價帶頂EV附近，EA與EV間能量差稱為受主電離能。P型半導體由受主控制材料導電性。第54頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導體與P型半導體的比較半導體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性N型施主雜質(zhì)電子空穴nn≥pnP型受主雜質(zhì)空穴電子np≤pp摻雜對半導體導電性能的影響：

半導體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會明顯地改變導帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導體的電導率。第55頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)本征半導體(b)N型半導體(c)P型半導體第56頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱平衡載流子在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。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，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復合。在一定溫度下，激發(fā)和復合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。第57頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律?！镌谀硿囟认聼崞胶鈶B(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費米-狄拉克函數(shù)給出，即

熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級）的分布，二是這些能態(tài)中每一個能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)k：波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/KT：絕對溫度EF：費米能級(絕對零度時的電子的最高能級)第58頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月費米-狄拉克函數(shù)曲線當E=EF時，f(E)=1/2當E<EF時，f(E)>1/2當E>EF時，f(E)<1/2第59頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★若(E－EF)>>kT時

隨著E的增加，f(E)迅速減小，所以導帶中的大部分電子的能量是在導帶底EC附近。同樣價帶中空穴的絕大部分都在價帶頂EV附近。

EF為表征電子占據(jù)某能級E的概率的“標尺”，它定性表示導帶中電子或價帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對于本征半導體

EF≈(EC+EV

)/2第60頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

一般，費米能級在禁帶中，(E－EF)比kT

大得多。所以半導體的導帶電子濃度n和價帶空穴濃度p分別為：N－為導帶的有效能級密度N＋為價帶的有效能級密度ni稱為半導體的本征載流子濃度對本征半導體而言n=p第61頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于一種確定的半導體，不管它是本征半導體還是雜質(zhì)半導體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個常數(shù)——本征載流子濃度的平方。第62頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月a)重摻雜P型

b)輕摻雜P型

c)本征型

d)輕摻雜N型

e)重摻雜N型第63頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月小測試半導體的費米能級圖如下圖所示，以下表述中正確的是（

）A、（1）是本征半導體（2）是N型半導體（3）是P型半導體B、（1）是本征半導體（2）是P型半導體（3）是N型半導體C、（1）是N型半導體（2）是P型半導體（3）是本征半導體D、（1）是P型半導體（2）是N型半導體（3）是本征半導體第64頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月四、非平衡載流子

半導體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。載流子濃度對于熱平衡狀態(tài)時濃度的增量稱為非平衡載流子。第65頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月★電注入：通過半導體界面把載流子注入半導體，使熱平衡受到破壞。★光注入：光注入下產(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導帶，同時在價帶中留下等量的空穴。產(chǎn)生非平衡載流子的方法第66頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月光注入分為強光注入與弱光注入：滿足

nnpn>>nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱為強光注入。滿足

nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn條件的注入稱為弱光注入。第67頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月對于弱光注入

nn=nn0+Δnn≈nn0

pn=pn0+Δpn≈Δpn此時受影響最大的是少子濃度，可認為一切半導體光電器件對光的響應(yīng)都是少子行為。例如：一N型硅片，室溫下，nn0=5.5×1015cm-3，pn0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此時非平衡載流子濃度

nn=nn0+Δnn=5.5×1015+1010≈5.5×1015cm-3

pn=pn0+Δpn=3.5×104+1010≈1010cm-3第68頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

使非平衡載流子濃度增加的運動稱為產(chǎn)生，單位時間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對數(shù)目稱為產(chǎn)生率G。

使非平衡載流子濃度減少的運動稱為復合，單位時間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為復合率R。第69頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

在光照過程中，產(chǎn)生與復合同時存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時復合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達到新的平衡。當光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復合率隨之下降，直至復合率等于熱致的產(chǎn)生率時，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復熱平衡狀態(tài)。總結(jié)第70頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月非平衡載流子壽命τ（1）非平衡載流子從產(chǎn)生到復合之前的平均存在時間。（2）當非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時間。（3）它表征非平衡載流子的復合的快慢，τ小表示復合快，τ大表示復合慢。復合是指電子與空穴相遇時，成對消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。第71頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月復合種類

通過復合中心復合：復合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復合中心間接復合包括四種情況：電子從導帶落入到復合中心稱電子俘獲；電子從復合中心落入價帶稱空穴俘獲；電子從復合中心被激發(fā)到導帶稱電子發(fā)射；電子從價帶被激發(fā)到復合中心稱空穴發(fā)射。表面復合：材料表面在研磨、拋光時會出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復合中心。發(fā)生于半導體表面的復合過程稱為表面復合。直接復合：導帶中電子直接跳回到價帶，與價帶中的空穴復合。第72頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月五、載流子的運動

當沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運動，其平均定向速度為零。一定溫度下半導體中電子和空穴的熱運動是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。第73頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點向濃度低的點運動。第74頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運動，空穴向負電極方向運動稱為漂移。

在強電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導體會偏離歐姆定律。在弱電場作用下，半導體中載流子漂移運動服從歐姆定律。第75頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月在N型半導體中，漂移所引起的電流密度為：j電流密度;n為載流子密度；q為電子電荷；υ為載流子平均漂移速度歐姆定律的微分形式為：

有一定的電場強度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此電場強度與平均漂移速度有關(guān)系。第76頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

遷移率表示載流子在單位電場作用下所取得的漂移速度。

在電場中電子所獲得的加速度為第77頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月在漂移運動中，因電子與晶格碰撞發(fā)生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如兩次碰撞之間的平均時間為τf，則經(jīng)τf

后載流子的平均漂移速度為

遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小。第78頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)

在電場作用下，任何載流子都要作漂移運動。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載流子少得多，因此漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻。在擴散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對擴散電流的貢獻主要是少數(shù)載流子。第79頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月六、半導體對光的吸收

由于光子的作用使電子由價帶躍遷到導帶而引起的吸收稱為本征吸收。

物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。第80頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度。即截止波長第81頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。第82頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

導帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。

價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。第83頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽埽瑥亩谶h紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

半導體對光的吸收主要是本征吸收。對于硅材料，本征吸收的吸收系數(shù)比非本征吸收的吸收系數(shù)要大幾十倍到幾萬倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認為硅對波長大于1.15μm的可見光透明。第84頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導體的電學性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N型、P型和本征（i型）半導體配合起來，結(jié)成不均勻的半導體，能制造各種半導體器件。第85頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

在無外電場或其它因素激發(fā)時PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過。空間電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值。空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。

第86頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)加正向電壓的情況工作原理——在外加電場的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被削弱，這有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。多子的擴散電流通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)?。一般只有零點幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當大的正向電流。通常在回路中串入一個電阻用以限制電流。第87頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)加反向電壓的情況工作原理——在外加電場的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場被加強，結(jié)果阻止了多子的擴散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當外加電壓超過零點幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流。第88頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

將禁帶寬度不同的兩種半導體材料，生長在同一晶體上，且可以做成突變的或緩變的結(jié)，這種由兩種不同的半導體材料接觸而組成的結(jié)稱為半導體異質(zhì)結(jié)。肖特基結(jié)是一種簡單的金屬與半導體的交界面，它與PN結(jié)相似，具有非線性阻抗特性（整流特性）。第89頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月一、填空題：1、價電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是（）、（）。2、熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中（），二是這些能態(tài)中（）。3、半導體對光的吸收有（）（）（）（）（）。半導體對光的吸收主要是（）。第90頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月二、選擇題關(guān)于非平衡載流子，錯誤的是（）A、光注入的方法可以產(chǎn)生非平衡載流子B、光電探測器主要是利用弱光注入來得到非平衡載流子的C、弱光注入是指產(chǎn)生的非平衡載流子的濃度大于熱平衡載流子（多子）的濃度D、光電探測器主要是利用強光注入來得到非平衡載流子的第91頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月三、簡答題：

1、摻雜對半導體導電性能的影響是什么？

2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率??？

3、產(chǎn)生本征吸收的條件是什么？

四、計算題本征半導體材料Ge在297K下其禁帶寬度Eg=0.67(eV)，該材料制作的光電探測器的本征吸收截止波長是多少？第92頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

當光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。

本世紀最偉大的科學家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎是由于他對發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻。第93頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月外光電效應(yīng)——物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。光電效應(yīng)分類：內(nèi)光電效應(yīng)——物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運動而不會溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。第94頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、光電導效應(yīng)：光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應(yīng)。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。

半導體無光照時為暗態(tài)，此時材料具有暗電導；有光照時為亮態(tài)，此時具有亮電導。如果給半導體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導與暗電導之差稱為光電導，亮電流與暗電流之差稱為光電流。第95頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月1、光電導體的靈敏度

在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。

光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導的強弱。

光電導體的靈敏度與電極間距的平方成反比。

光電導的大小與照射光的波長有密切關(guān)系。所以首先確定光譜分布，才能光電導來比較不同波長的光強。2、光電導的光譜分布第96頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。

對光電導體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)τr和下降時間常數(shù)τf來描述弛豫過程的長短。τr表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%時所需的時間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時所需的時間。矩形脈沖光照弛豫過程圖3、光電導弛豫第97頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、光生伏特效應(yīng)：簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。當光照均勻半導體一部分時，由于光生載流子的濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動，但電子和空穴的遷移率不同而導致兩種載流子分開，從而出現(xiàn)光生電勢，這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。第98頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。2、勢壘效應(yīng)第99頁，課件共109頁，創(chuàng)作于2023年2月

N型、P型半導體單獨存在時，