第一章光電效應

1、課程名稱：物理效應及其應用,物理效應及其應用課程簡介,、物理學家們發(fā)現(xiàn)了許許多多物理效應，這些效應在科學技術中發(fā)揮出極大效益，派生出各種高新技術。 、利用同學們已學習過的許多物理學基礎知識，結合力、熱、電、光、磁、低溫、輻射、核物理等物理效應，以及相互之間物理特性的轉變，理解各種經典和現(xiàn)代物理效應的機理。 、根據(jù)原子結構特點、載流子特性、原子能帶理論，特別是量子理論分析、解釋各種物理效應。盡可能了解現(xiàn)代物理效應的應用背景 、后續(xù)傳感器技術課程的基礎。 參考書： 物理效應及其應用，陳宜生，周佩瑤，馮艷全， 天津大學出版社。,第一章光電效應,光電效應：光照射到某些物質上，引起物 質的電性質發(fā)生變化

2、的現(xiàn)象。,光具有波粒二相性：在與物質相互作用時，會更明顯地表露出它的粒子（即光子特性）特征：,光電效應的本質是光子與電子相互作用的結果。,光子具有一定光譜頻率并以普朗克常數(shù)為能量單元，對外作用時表現(xiàn)為或被吸收,或改變頻率和方向； 電子帶電粒子的最小單元。在與外界作用時，能量和狀態(tài)發(fā)生變化,從束縛于局域狀態(tài)轉變到比較自由的狀態(tài)，導致物質電特性的變化。,光電效應分為：外光電效應,內光電效應,第一節(jié)外光電效應,年德國物理學家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)了一個奇妙的現(xiàn)象：當用紫外光照射它的裝置時，電極之間發(fā)生火花要容易一些。 一年后，霍耳瓦克斯（H.Hallwachs）證明：上述現(xiàn)象是由于出現(xiàn)了帶電粒子的緣故。后

3、來人們證實了這種粒子就是電子。,外光電效應由于光照射固體材料從表面激發(fā)出電子的現(xiàn)象(或光電發(fā)射效應） 光電子由光的作用激發(fā)出的電子。,第一節(jié)外光電效應,將兩個金屬電極安裝在抽成真空的玻璃罩中，兩個電極之間串聯(lián)上直流電源和靈敏電流計。當無光照射時，玻璃罩內陰極和陽極之間的空間無載流子（即自由正負電荷），如果不考慮暗電流，電阻為無窮大，沒有電流流過。,一、單電子光電效應,當有光照射陰極時，就有光電子從陰極飛出，在電壓作用下，飛向陽極，檢流計中便有穩(wěn)定的電流通過。,年，赫茲的助手勒納德利用各種頻率和強度的光，對光電效應進行了系統(tǒng)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了三條實驗規(guī)律： 、當一定頻率的光照射金屬陰極，在陰極與

4、陽極之間有足夠的加速電壓，光電流正比于光強。 、每一種金屬各自存在一個足以發(fā)生外光電效應的最低頻率(紅限頻率),當照射光的頻率 時，不會逸出光電子；當入射光的頻率 ,不管光多么弱都會立刻發(fā)射光電子，不存在時間滯后。 、光電子從金屬表面剛逸出時最大初動能1 / 2 m，與光的頻率有線性關系，與入射光的強度無關。,愛恩斯坦提出的光量子（光子）假說 ：,“在我看來，如果假定光的能量不連續(xù)分布于空間的話，那么，我們就可以更好地理解黑體輻射、光致發(fā)光、紫外線產生陰極射線以及其它涉及光的發(fā)射與轉換的現(xiàn)象的結果。根據(jù)這種假設，從一點發(fā)出的光線傳播時，在不斷擴大的空間范圍內能量不是連續(xù)分布的，而是一個數(shù)目有限

5、地局限于空間中的能量量子所組成，他們在運動中并不分解，并且只能整個地被吸收或發(fā)射?！?外光電效應方程（又稱著名的愛恩斯坦方程）： h = 1 / 2 m 02+ （） 其中：為金屬逸出功函數(shù)。這個方程成功地解釋了外光電效應的實驗規(guī)律和形成機理。,愛恩斯坦認為：一束頻率為 的光可以視為一束單個粒子，能量為h 的光子流，h為普朗克常數(shù)。在光與物質相互作用時，就是這些光子與物質微粒之間的事情了。,逸出功：自由電子逃逸出金屬表面所需的最小能量,需要對電子所作的最小的功。,飛來的光子是一個個能量為h 的小能量包，當它與電子碰撞并為電子所吸收時，電子獲得光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，開銷于逸出功，

6、余下的能量便轉成了外逸光電子的初動能m02。既然光子與電子之間的相互作用是一一對應的，光電子瞬息即發(fā)也就順理成章。這也是外光電效應存在紅限頻率0的道理所作，不同的金屬逸出功不同，紅限頻率也就不同.,圖(b) 直觀地表示光電子的初動能與光的頻率成直線關系，直線與頻率軸的交點對應紅限頻率，直線的斜率是普朗克常數(shù)。密立根花了年的時間，驗證了愛恩斯坦方程，并準確地測出了普朗克常數(shù)，宣告光子的存在是無可置疑的。,應用實例：光電倍增管,當光照射在光電陰極上時，發(fā)射的光電子在電場作用下，經加速后轟擊第一陽極。一個入射電子將從次陰極轟擊出多個次極電子，這稱為二次電子發(fā)射效應。次極電子又經過電場加速，轟擊下一個

7、陰極，產生更多的次極電子。如此繼續(xù)下去，最終可使電流放大倍以上到達陽極。,二、多電子光電效應,年等人用激光作光電發(fā)射實驗時，發(fā)現(xiàn)了與愛恩斯坦方程偏離的奇異光發(fā)射。年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的1.48eV的光子照射逸出功的鈉時，,發(fā)現(xiàn)光電流與光強的平方成正比。于是，人們設想光子之間進行了“合作”，兩個光子同時被電子吸收，得以越過表面勢壘，該種現(xiàn)象稱為雙光子光電發(fā)射。,后來，進一步的實驗表明，可以三個、多個、甚至個光子同時被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多電子光電發(fā)射。人們推斷：n個光電子發(fā)射過程的光電流似乎應與光強的次方成正比。,第二節(jié) 光 電 導 效 應,物質被光照射時無電子發(fā)射

8、，但電導率發(fā)生變化或產生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。 （光電導效應在光電子技術課程中細述）。,第三節(jié) 光 生 伏 特 效 應,光生伏特效應： 半導體受光照射產生電動勢的現(xiàn)象。 光電導效應是以光作為動力，使束縛電子成為自由電子，形成電子空穴對，從而改變了材料的載流子濃度，導致電導率發(fā)生變化。,要在光的照射下產生電動勢，還需要一種將正、負載流子在空間上分離開來的機制。 根據(jù)產生電位差時載流子分離機理的不同，光生伏特效應又分為丹倍（Dember）效應,光磁電效應和PN結光生伏特效應等情形。,一、丹倍效應,一束頻率足夠高的光照射在一塊均勻半導體樣品的表面，會產

9、生大量電子空穴對，表面層內就有了非平衡的載流子n=p這樣，就造成了由表面指向體內的濃度梯度。,按擴散定律，電子和空穴形成的擴散電流密度分別為： （）（）/ （）/,總擴散電流密度為： 擴（）（）/,事實上電子和空穴的擴散系數(shù)不同，一般，電子擴散的比空穴快，總擴散電流將沿負方向，引起電荷局部積累而打破電中性狀態(tài)，使光照一面帶正電。形成了沿方向的電場，這電場又引起載流子沿方向的漂移運動，形成漂移電流： J漂（p） 這電流和總擴散電流方向相反，于是總的電流密度 擴漂（p）（p）（p）/ 達到穩(wěn)定后，電流密度，從而半導體中的電場： （p）/（p）（p）/ 在半導體中，載流子的擴散系數(shù)與遷移率的比滿足愛

10、恩斯坦關系 : /=kT/e （p） () ep dx （p）（p）（） ,由于光生非平衡載流子擴散速度的差異，直接引起了光照方向的電場和電位差，被稱為丹倍效應。,二、光磁電效應,如果在垂直光照方向施加一磁場，則在半導體的兩側端面間產生電位差，這效應稱為光磁電效應。,光磁電效應的機理：光在樣品表面產生了非平衡載流子濃度如圖（）所示，濃度梯度使載流子出現(xiàn)了定向擴散速度（方向），磁場作用在載流子上的洛侖茲力，使正負載流子分離圖（），在兩個端面的電荷積累形成電位差圖（）和橫向電場。當作用在載流子上的洛侖茲力與作用的電場力平衡時，電位差維持一個穩(wěn)定值。,光磁電效應與霍爾效應類似，但它與具有兩種載流子的

11、半導體中的霍爾效應有所不同。在霍爾效應中，載流子的定向運動是外加電場引起的。兩種載流子的運動方向相反，二者形成的電流方向相同。而在光磁電效應中，定向運動是擴散引起的。兩種載流子擴散方向相同，二者形成的電流方向相反。在垂直磁場作用下，如圖（）所示，向相反方向偏轉，效果是相互加強的。,對于厚度為的型半導體，光磁電效應在端面間的開路電壓為： L（） （） 式中（）是表面處的非平衡空穴濃度。如果橫向兩端短路連接形成的短路電流為： （）（）,光磁電效應,表面處的非平衡載流子濃度（)0與載流子壽命有關，光磁電效應有時被用來測量半導體中載流子壽命，特別是短壽命的測量。 在光磁電效應中，如果外加磁場不垂直于軸

12、，而是斜置于平面，則磁場的分量，將與樣品內流動的開路電流相互作用，從而引起轉矩，這現(xiàn)象稱為光學機械效應。,、等許多半導體材料都可呈現(xiàn)較明顯的光磁電效應。利用具有這種效應的材料?？梢灾圃彀雽w紅外探測器。,當光照射在距表面很近的結時，便會在結上產生電動勢，這被稱為結光生伏特效應。,1839年法國人貝克勒（Edmond Becqural）在研究電解質電池時，觀察到光照射到電池的一個電極時，電池的電動勢有所提高。這就是最早發(fā)現(xiàn)的光生伏特效應，直到1876年Adams和Day利用光生伏特效應制造出了硒光電池。,三、結光生伏特效應,在光未照射時，由于型、型材料內部存在空穴、電子濃度差，導致相互擴散。 在

13、兩區(qū)接界處形成了空間電荷層及相應存在的由區(qū)指向區(qū)的內建電場，阻止兩邊不同的載流子的擴散。 從能量角度看，結處形成了一個勢壘，圖1-8(b)。因此區(qū)內的電子和區(qū)內的空穴要想從一個區(qū)域進入極性相反的另一個區(qū)域都需要提供能量。,光照射時，光子可進入區(qū)，結區(qū)和區(qū)。在這三個區(qū)域光子被吸收產生電子空穴對。圖1-8(c)、(d)同時也存在電子與空穴的復合過程。在每個區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起主要作用，,區(qū)：少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產生的光生電子離結區(qū)的距離小于電子的擴散長度（指光生電子從產生到與空穴復合的時間內移動的平均距離），便可靠擴散從區(qū)進入到結區(qū)而被內建電場內加速趨向區(qū)； 區(qū)：空穴是少數(shù)載

14、流子，只要光生空穴離結區(qū)距離小于空穴的擴散長度，便可靠擴散進入結區(qū)，被內建電場加速趨向區(qū)； 結區(qū)：產生的光生電子空穴對，被 內建電場加速并分離到結的兩邊。,在三個區(qū)域都是光子產生電子空穴對，靠擴散和內建電場實現(xiàn)正負電荷的分離，使電荷積累到結的兩邊，型側帶正電，型側帶負電，從而建立一個與原內建電位差相反的電位差L，稱為光生電位差。在建立光生電位差的過程中，載流子移動形成的電流稱為光生電流L,光生電位差對結來說，相當于加上了一個正向電壓，會產生一個正向電流，方向與光生電流方向相反，當這兩個相反電流互相抵消時，在結上建立起穩(wěn)定的光生電位差oc 在光的照射下，結形成了一個能產生電動勢的電源，構成一個電

15、池，即光電池。 利用結的光敏特性，除了制作光電池外，還可以制成各種光敏二極管、光敏三極管等元器件，廣泛用于自動控制和傳感技術中。,、光敏二極管（）,硅光敏二極管， 為光生電流，為結動態(tài)電阻， 為結電容，為串聯(lián)電阻。 光敏二極管的動態(tài)電阻隨結電壓變化很大，結電容與負載電阻構成時間常數(shù)限制光敏二極管的響應速度。 光敏二極管有三種工作方式： ）光電導方式：工作方式是在結外加反向偏置電壓；動態(tài)電阻大，負載電阻可根據(jù)需求選擇； ）光伏短路方式：光敏二極管無需偏置電壓 ；輸出不含暗電流，線性范圍寬，適于弱光檢測； ）光伏開路方式：如圖所示，光敏二極管工作時，要求負載電阻，其輸出電壓為圖示的斷路電壓。（對數(shù)

16、關系，響應慢）。,、光敏三極管,光敏三級管具有放大功能，可以獲得比光敏二極管大的多的光電流，它有無基極引線和有基極引線兩種類型。有基極引線的光敏三級管可通過改變基極偏置電壓來調制工作點進入線性區(qū)，并能減少發(fā)射極電阻，以改善弱光條件下的頻率特性。,光敏三級管: 以集電結為光敏二極管，靠光注入載流子在其上產生的光電流加以放大，于集電極回路輸出。,光敏三級管的光電流（集電極電流）與集電極電壓的曲線類似于半導體三極管，只需將半導體三極管的基極電流參數(shù)換成光強參數(shù)即可。,光敏三極管的應用：,光敏三級管輸出信號大，在自動控制和測量中有許多應用，而且還能與發(fā)光二極管一起構成復合型光電器件、如光敏物位傳感器、

17、光電耦合器等。 圖表示了遮光式圖（）、（）和反光式圖（）（） 物位傳感器的示意結構和電路符號。物位傳感器在工業(yè)生產和電氣控制方面有廣泛應用，如在計算機磁盤驅動器中的寫保護、磁道檢測，對軟盤索引的檢測都用到光電物位傳感器。產品自動計數(shù)、包裹自動分理、信件郵編自動識別、自動生產線物位測量與控制、光電編碼器、光電測速傳感器、光電隔離器、家用電器等方面，都可見到光敏物位傳感器的應用。,、光敏二極管,為了提高光敏二極管的響應速度，應減少結的結電容在結之間設置一個高電阻率的層能達到這一目的。如圖1-12所示，在型硅片上制作一層含雜質少的高組層，而在該層上形成薄的層。入射的光由很薄的層照射到較厚的層，大部分

18、光被層吸收，激起光生載流子形成光電流。這使光敏二極管能有高的轉換效率。,另外，工作時光敏管加有較高的反向偏置電壓，使結的阻擋層加寬，也大大加強了阻擋層中光生載流子的加速電場（約），大幅度減少了載流子在結內的漂移時間，從而響應速度大為提高。光敏二極管具有響應速度快（s以下）、靈敏度高、線性較好三大優(yōu)點，可用于光存儲器讀出裝置、遙控裝置、伺服跟蹤信號檢測器、光通信等方面。,、雪崩光敏二極管（）,雪崩光敏二極管是為提高光探測器靈敏度所作的努力，如果把一般光敏二極管比作真空管，那么雪崩光敏二極管就好似真空光電倍增管。 雪崩光敏二極管的基片材料目前多采用硅和鍺。其結構是在型基片上制作層，再在上面配置高摻

19、雜濃度的薄層。光線通過層，進入層，產生光生載流子。,由于結上加有近于擊穿電壓的反向偏置電壓，致使區(qū)存在很強的電場（約），區(qū)的光生載流子被急劇加速，能量遠遠超過材料禁帶寬度，從而引起碰撞電離，產生新的載流子。這些新生載流子又被加速，又產生更多新的載流子。這一鏈式過程使載流子數(shù)目雪崩式地急劇增長。,這種光電流的內部放大機制使雪崩光敏二極管具有很高的靈敏度。 由于這種光敏元件靈敏度高，響應快，被用于光纖通訊的受光裝置和光磁盤的受光裝置來處理弱光信號。用反向偏置的結除了形成上面一些光敏器件外，還可以作成光控閘流管、色敏器件等。,四、貝克勒（）效應,將兩個同樣的電極浸在電解液中。讓其中的一個被光照射，那

20、么，在兩個電極間將產生電位差，這稱為貝克勒效應。 如圖（）所示,最近，為了制造出廉價的太陽能電池，科學家想模仿葉綠素的光合作用。如圖所示，兩個電極與電解質溶液接觸。其中的一個透明電極上覆蓋著一層二氧化鈦粒子，再在其上覆蓋一層特制的釕基燃料，這種染料有類似葉綠素的性質。光敏染料分子象小型天線那樣吸收入射光子，將電釋放給下面的二氧化鈦。這些電子經過透明電極、外電路、電解質再返回染料。將化學電池、光伏特效應結合起來可能會有光明的前途。制造出廉價高效的太陽能電池是解決地球上能源問題的途徑之一。,該效應是發(fā)現(xiàn)最早的光伏特效應。前面提及的幾個光生伏特效應是在固體中發(fā)生的。貝克勒效應是在液體中的光生伏特效應

21、。這種效應已,被用來制成實用化的感光電池。,五、光子牽引效應,如圖所示，當一束光子能量還不足以引起電子空穴產生的激光照射在一塊樣品上時，可以沿光束傳播的方向，在樣品的兩個側端面上，建立起電位差，其大小與光功率成正比。這種現(xiàn)象稱為光子牽引效應。,光子具有動量。當光子與材料中的載流子相互碰撞時，可以將動量傳遞給載流子，因而在光束方向引起載流于的定向運動，在端面形成電荷累積，產生附加電場，當附加電場對載流子的電場力與光子產生的沖力平衡時，便建立起穩(wěn)定的電位差VL。 與前面提到的光電效應不同，那些效應都涉及到載流子的產生，都是光子能量轉移給電子，而這里不顧及載流于的產生，將光子的動量轉移給電子,這種轉

22、移發(fā)生很快。此類光探測器具有快速的響應（響應時間約）,第四節(jié) 俄 歇 效 應,1925年法國人俄歇（M.P.Auger）在威爾遜云霧室中，用X射線研究電離惰性氣體的光電效應。預想是X射線光子能量越高，逸出光電子的初動能越大，在云霧室中形成的軌跡應該越長?？伤麉s沿著X射線方向觀察到了雙電子徑跡現(xiàn)象。這兩條徑跡從同一點發(fā)出，其中一條徑跡的長度隨X射線光子能量的增加而增加，可以用原子內殼層光電子發(fā)射來解釋；而另一條電子徑跡的長度，不隨X射線光子能量變化，卻同被照射原子類型有關，不能用光電效應來解釋。后來稱造成這種徑跡的電子為俄歇電子。,在發(fā)射光電子后，發(fā)射俄歇電子，使原子、分子成為高階離子的現(xiàn)象稱為

23、俄歇效應。,俄歇電子的產生過程,以氬原子為例：,能量大于K殼層電子結合能的光子或電子與氬原子碰撞，轟擊出K殼層的束縛電子，留下一個空穴，如圖1- (b)所示，K殼層被電離。這時，原子內電子分布失去平衡，縱使靜電力也會促使較外層的電子來填補這個空穴。較外層電子能量比內層高，當它為填補空穴躍遷到內層時，應將多余的能量釋放出去。,解釋的方法有兩種： 一種是以光子形式輻射，如發(fā)射軟X射線； 另一種是非輻射能量轉移，將能量轉移給另一個電子，得到能量的這個電子從原子中發(fā)射出來，這就是我們所說的俄歇電子。,多重能級之間電子躍遷產生多俄歇電子發(fā)射,俄歇電子的發(fā)射，可以理解成在電子填充空穴的過程中，電子之間存在

24、庫侖力，使它們在能級之間躍遷，并彼此交換能量。一個電子能量的降低，伴隨著另一電子能量的增高，這躍遷過程就是所謂的俄歇效應。,固體能帶中俄歇電子的發(fā)射,俄歇電子能譜的應用,用俄歇電子譜儀能對氣體進行元素分析和分子類型分析，也可進行電離過程研究。俄歇電子譜儀能成功地進行固體表面的成分分析，還可以分析表面發(fā)生的吸附、脫附、擴散、催化反應，薄膜生長、表面污染等。俄歇電子譜儀有靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點，在表面物理、化學反應動力學、催化劑、冶金、電子等諸多領域有很多重要應用。,第五節(jié) 康 普 頓 效 應 與 逆 康 普 頓 效 應,康普頓（A.H. Compton）在1922一1923年間研究物質對X射

25、線的散射，如圖1-17所示，實驗發(fā)現(xiàn):,如果將X射線視為電磁波，X光的散射歸因于物質中電子的受迫振動，散射光波長應當?shù)扔谌肷涔獠ㄩL，因此，光的波動理論不能解釋康普頓效應。但將光視為光子流的光量子論可以圓滿地解釋這個效應。,將一束X 射線投射在石墨上，從不同方位用X 射線譜儀來測量散射的X射線。在散射的X 射線中，除有原波長 的射線外，還有波長 的射線。這種波長改變的散射，稱為康普頓效應. 由康普頓觀察并提出了理論解釋，。,我國物理學家吳有訓，從1924一1926年間（當時他是康普頓的研究生），進一步觀察X 射線對各種物質的散射實驗，確認散射X 射線波長的改變 ，與入射X 射線的波長和散射物質無

26、關，只與散射方位有關， 與散射角 之間有下列簡單關系： 2 sin 2 / 2 式中：0.00241nm，是實驗得出的常數(shù)。相當散射角 / 2 時的波長改變。,光束視為光子束。X射線與物質的相互作用就可看作光子與實物微粒的碰撞過程。X射線光子與原子外層電子碰撞，因外層電子與原子核聯(lián)系較弱，很易在X射線作用下離開原子，X射線散射就可近似看作光子與自由電子完全彈性碰撞的過 程。碰撞前后光子和電子的總動量守恒，總能量也守恒。要注意的是光子是以光速運動，應按相對論來考慮問題， 光子的能量為 ，由質能關系Em C 2，得光子質量 m C2,光子動量： p m C C / ,碰撞前、碰撞后總能量守恒，總動

27、量守恒分別可寫為： m 0 C 2 m C2 （a） p p m （b）,利用（a）、（6）二式可得，散射X射線的波長改變 2 / m 0 C sin2 / 2 （c）,式中: m m 0 /（1 / c）1 / 2， m 0為電子靜止質量， m 0 C 2電子靜止能， m C 2是電子速度為V時的能量。 p / ， p / 分別表示碰撞前、碰撞后光子的動量。,如果光子與被原子核緊緊束縛的電子碰撞，這就相當于與整個原子碰撞，上式中電子的靜止質量 m0 就要用原子的質量取代。這樣，將變得很小，光子不會明顯的改變能量或波長，,所以在散射中仍可觀察到與入射光波長相同的成份，如圖1-18所示，這入射波長 的位置正好可用來作為度量 的參考。,由于電子既不是完全自由的，也不是靜止的。所以散射光不僅僅出現(xiàn)正好兩個波長（或兩條強度線）而是有如圖118那樣按波長分布的輪廓線。實驗還表明，輪廓線峰的高低、寬窄、形狀與元素的原子序數(shù)之有關，直接反映了物質內部電子動量的分布。,康普頓效應涉及高能光子與低能電子的碰撞，碰撞的結果是使光子部分能量轉