第一章光電效應(yīng)

課程名稱：物理效應(yīng)及其應(yīng)用《物理效應(yīng)及其應(yīng)用》課程簡(jiǎn)介１、物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許許多多物理效應(yīng)，這些效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮出極大效益，派生出各種高新技術(shù)。２、利用同學(xué)們已學(xué)習(xí)過(guò)的許多物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合力、熱、電、光、磁、低溫、輻射、核物理等物理效應(yīng)，以及相互之間物理特性的轉(zhuǎn)變，理解各種經(jīng)典和現(xiàn)代物理效應(yīng)的機(jī)理。３、根據(jù)原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(yīng)。盡可能了解現(xiàn)代物理效應(yīng)的應(yīng)用背景４、后續(xù)傳感器技術(shù)課程的基礎(chǔ)。參考書：

《物理效應(yīng)及其應(yīng)用》，陳宜生，周佩瑤，馮艷全，天津大學(xué)出版社。第一章光電效應(yīng)

光電效應(yīng)：光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。光具有波粒二相性：在與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)更明顯地表露出它的粒子（即光子特性）特征：光電效應(yīng)的本質(zhì)是光子與電子相互作用的結(jié)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(duì)外作用時(shí)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(shí)，能量和狀態(tài)發(fā)生變化,從束縛于局域狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自由的狀態(tài)，導(dǎo)致物質(zhì)電特性的變化。光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng)第一節(jié)外光電效應(yīng)

１８８７年德國(guó)物理學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇妙的現(xiàn)象：當(dāng)用紫外光照射它的裝置時(shí)，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。后來(lái)人們證實(shí)了這種粒子就是電子。外光電效應(yīng)－－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(yīng)）光電子－－由光的作用激發(fā)出的電子。第一節(jié)外光電效應(yīng)將兩個(gè)金屬電極安裝在抽成真空的玻璃罩中，兩個(gè)電極之間串聯(lián)上直流電源和靈敏電流計(jì)Ｇ。當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，玻璃罩內(nèi)陰極Ｋ和陽(yáng)極Ａ之間的空間無(wú)載流子（即自由正負(fù)電荷），如果不考慮暗電流，電阻為無(wú)窮大，沒(méi)有電流流過(guò)Ｇ。一、單電子光電效應(yīng)

－ＧＡＫ圖１－１外光電效應(yīng)觀察裝置當(dāng)有光照射陰極Ｋ時(shí)，就有光電子從陰極飛出，在電壓作用下，飛向陽(yáng)極Ａ，檢流計(jì)Ｇ中便有穩(wěn)定的電流通過(guò)。１８９９～１９０２年，赫茲的助手勒納德利用各種頻率和強(qiáng)度的光，對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了三條實(shí)驗(yàn)規(guī)律：１、當(dāng)一定頻率的光照射金屬陰極，在陰極與陽(yáng)極之間有足夠的加速電壓，光電流正比于光強(qiáng)。２、每一種金屬各自存在一個(gè)足以發(fā)生外光電效應(yīng)的最低頻率０(紅限頻率),當(dāng)照射光的頻率

０時(shí)，不會(huì)逸出光電子；當(dāng)入射光的頻率

０,不管光多么弱都會(huì)立刻發(fā)射光電子，不存在時(shí)間滯后。３、光電子從金屬表面剛逸出時(shí)最大初動(dòng)能1/2mｖ０２，與光的頻率有線性關(guān)系，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。愛(ài)恩斯坦提出的光量子（光子）假說(shuō)：“在我看來(lái)，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(chǎn)生陰極射線以及其它涉及光的發(fā)射與轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象的結(jié)果。根據(jù)這種假設(shè)，從一點(diǎn)發(fā)出的光線傳播時(shí)，在不斷擴(kuò)大的空間范圍內(nèi)能量不是連續(xù)分布的，而是一個(gè)數(shù)目有限地局限于空間中的能量量子所組成，他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中并不分解，并且只能整個(gè)地被吸收或發(fā)射?！蓖夤怆娦?yīng)方程（又稱著名的愛(ài)恩斯坦方程）：

h=1/2mυ02

+φ（１－１）其中：φ為金屬逸出功函數(shù)。這個(gè)方程成功地解釋了外光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和形成機(jī)理。愛(ài)恩斯坦認(rèn)為：一束頻率為的光可以視為一束單個(gè)粒子，能量為h的光子流，h為普朗克常數(shù)。在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，就是這些光子與物質(zhì)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(duì)電子所作的最小的功。

飛來(lái)的光子是一個(gè)個(gè)能量為h的小能量包，當(dāng)它與電子碰撞并為電子所吸收時(shí)，電子獲得光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，開(kāi)銷于逸出功，余下的能量便轉(zhuǎn)成了外逸光電子的初動(dòng)能１／２m02。既然光子與電子之間的相互作用是一一對(duì)應(yīng)的，光電子瞬息即發(fā)也就順理成章。這也是外光電效應(yīng)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.

００

（b）１／２ｍｖ０２0金屬真空（a）ｖ０Efφ?qǐng)D１－２（ａ）能量“勢(shì)阱”(b)光電子初動(dòng)能與光頻率關(guān)系圖(b)直觀地表示光電子的初動(dòng)能與光的頻率成直線關(guān)系，直線與頻率軸的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)紅限頻率，直線的斜率是普朗克常數(shù)ｈ。密立根花了１０年的時(shí)間，驗(yàn)證了愛(ài)恩斯坦方程，并準(zhǔn)確地測(cè)出了普朗克常數(shù)，宣告光子的存在是無(wú)可置疑的。應(yīng)用實(shí)例：光電倍增管

陰極光第１陰極第２陰極第３陰極第４陰極陽(yáng)極圖１－３光電倍增管當(dāng)光照射在光電陰極上時(shí)，發(fā)射的光電子在電場(chǎng)作用下，經(jīng)加速后轟擊第一陽(yáng)極。一個(gè)入射電子將從次陰極轟擊出多個(gè)次極電子，這稱為二次電子發(fā)射效應(yīng)。次極電子又經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，轟擊下一個(gè)陰極，產(chǎn)生更多的次極電子。如此繼續(xù)下去，最終可使電流放大１０６倍以上到達(dá)陽(yáng)極。二、多電子光電效應(yīng)１９６３年Ｒｅａｄｙ等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛(ài)恩斯坦方程偏離的奇異光發(fā)射。１９６８年Teich和Wolga用GaAs激光器發(fā)射的ｈ＝1.48eV的光子照射逸出功＝２．３ｅＶ的鈉時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們?cè)O(shè)想光子之間進(jìn)行了“合作”，兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收，得以越過(guò)表面勢(shì)壘，該種現(xiàn)象稱為雙光子光電發(fā)射。后來(lái)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個(gè)、多個(gè)、甚至４０個(gè)光子同時(shí)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(gè)光電子發(fā)射過(guò)程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的ｎ次方成正比。第二節(jié)

光電導(dǎo)效應(yīng)物質(zhì)被光照射時(shí)無(wú)電子發(fā)射，但電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。（光電導(dǎo)效應(yīng)在光電子技術(shù)課程中細(xì)述）。第三節(jié)光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)是以光作為動(dòng)力，使束縛電子成為自由電子，形成電子－空穴對(duì)，從而改變了材料的載流子濃度，導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化。要在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，還需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離開(kāi)來(lái)的機(jī)制。根據(jù)產(chǎn)生電位差時(shí)載流子分離機(jī)理的不同，光生伏特效應(yīng)又分為丹倍（Dember）效應(yīng),光磁電效應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)等情形。一、丹倍效應(yīng)

ExVxJ擴(kuò)d(a)(b)(c)圖１－４丹倍效應(yīng)dxh

一束頻率足夠高的光照射在一塊均勻半導(dǎo)體樣品的表面，會(huì)產(chǎn)生大量電子－空穴對(duì)，表面層內(nèi)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(nèi)的濃度梯度。按擴(kuò)散定律，電子和空穴形成的擴(kuò)散電流密度分別為：Ｊｎ＝－Ｄｎ（－ｅ）ｄ（ｎ）/ｄｘＪｐ＝－Ｄｐｅｄ（ｐ）/ｄｘ總擴(kuò)散電流密度為：Ｊ擴(kuò)＝ｅ（Ｄｎ－Ｄｐ）ｄ（ｐ）/ｄｘ事實(shí)上電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)不同，一般ＤｎＤｐ，電子擴(kuò)散的比空穴快，總擴(kuò)散電流將沿Ｘ負(fù)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Ｘ方向的電場(chǎng)Ｅｘ，這電場(chǎng)又引起載流子沿Ｘ方向的漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流：J漂＝（ｎｅμｎ＋pｅμｐ）Ｅｘ這電流和總擴(kuò)散電流方向相反，于是總的電流密度Ｊｘ＝Ｊ擴(kuò)＋Ｊ漂＝（ｎｅμｎ＋pｅμｐ）Ｅｘ＋ｅ（Ｄｎ－Ｄp）ｄ（p）/ｄｘ達(dá)到穩(wěn)定后，電流密度Ｊｘ＝０，從而半導(dǎo)體中的電場(chǎng)：Ｅｘ＝－（Ｄｎ－Ｄp）/（ｎμｎ＋pμｐ）·ｄ（p）/ｄｘ在半導(dǎo)體中，載流子的擴(kuò)散系數(shù)與遷移率的比滿足愛(ài)恩斯坦關(guān)系:Ｄ/μ=kT/eＥｘ＝－ｋＴμｎ－μｐｄ（p）(１－６)eｎμｎ＋pμｐdx

Ｖｘ＝ｋＴμｎ－μｐ〔（p）０－（p）ｄ〕（１－７）ｅｎ０μｎ

由于光生非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異，直接引起了光照方向的電場(chǎng)和電位差，被稱為丹倍效應(yīng)。二、光磁電效應(yīng)

如果在垂直光照方向施加一磁場(chǎng)，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)端面間產(chǎn)生電位差，這效應(yīng)稱為光磁電效應(yīng)。

光磁電效應(yīng)的機(jī)理：光在樣品表面產(chǎn)生了非平衡載流子濃度〔如圖１－６（ａ）所示〕，濃度梯度使載流子出現(xiàn)了定向擴(kuò)散速度（ｘ方向），磁場(chǎng)作用在載流子上的洛侖茲力，使正負(fù)載流子分離〔圖１－６（ｂ）〕，在兩個(gè)端面的電荷積累形成電位差Ｖｙ〔圖１－６（ｃ）〕和橫向電場(chǎng)Ｅｙ。當(dāng)作用在載流子上的洛侖茲力與Ｅｙ作用的電場(chǎng)力平衡時(shí)，電位差Ｖｙ維持一個(gè)穩(wěn)定值。光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng)類似，但它與具有兩種載流子的半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)有所不同。在霍爾效應(yīng)中，載流子的定向運(yùn)動(dòng)是外加電場(chǎng)引起的。兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反，二者形成的電流方向相同。而在光磁電效應(yīng)中，定向運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散引起的。兩種載流子擴(kuò)散方向相同，二者形成的電流方向相反。在垂直磁場(chǎng)作用下，如圖１－６（ｂ）所示，向相反方向偏轉(zhuǎn)，效果是相互加強(qiáng)的。圖１－６光磁電效應(yīng)Bz⊙

hνBzldbhνyxzEyl

●Vy●(a)(b)(c)FL對(duì)于厚度為ｄ的Ｎ型半導(dǎo)體，光磁電效應(yīng)在端面間的開(kāi)路電壓為：

Ｖｙ＝L?Ｂｚ（μｎ－μｐ）?Ｄｐ（△ｐ）０ｄｎ０μｎ式中（△ｐ）０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：Ｉｓ＝－ＢｚＤｐ（μｎ＋μｐ）ｂ（△ｐ）０

光磁電效應(yīng)表面處的非平衡載流子濃度（△ｐ)0與載流子壽命τ有關(guān)，光磁電效應(yīng)有時(shí)被用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體中載流子壽命，特別是短壽命的測(cè)量。在光磁電效應(yīng)中，如果外加磁場(chǎng)不垂直于ｙ軸，而是斜置于ｙｚ平面，則磁場(chǎng)的Ｂｙ分量，將與樣品內(nèi)流動(dòng)的開(kāi)路電流相互作用，從而引起轉(zhuǎn)矩，這現(xiàn)象稱為光學(xué)機(jī)械效應(yīng)。Ｇｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、ＣｄＳ等許多半導(dǎo)體材料都可呈現(xiàn)較明顯的光磁電效應(yīng)。利用具有這種效應(yīng)的材料?？梢灾圃彀雽?dǎo)體紅外探測(cè)器。

ＶccPNhν圖１－７光電池當(dāng)光照射在距表面很近的ＰＮ結(jié)時(shí)，便會(huì)在ＰＮ結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這被稱為ＰＮ結(jié)光生伏特效應(yīng)。1839年法國(guó)人貝克勒（EdmondBecqural）在研究電解質(zhì)電池時(shí)，觀察到光照射到電池的一個(gè)電極時(shí)，電池的電動(dòng)勢(shì)有所提高。這就是最早發(fā)現(xiàn)的光生伏特效應(yīng)，直到1876年Adams和Day利用光生伏特效應(yīng)制造出了硒光電池。三、ＰＮ結(jié)光生伏特效應(yīng)

++++----E內(nèi)ＰＮ阻擋層（ａ）電勢(shì)能對(duì)電子對(duì)空穴χ（ｂ）在光未照射時(shí)，由于Ｐ型、Ｎ型材料內(nèi)部存在空穴、電子濃度差，導(dǎo)致相互擴(kuò)散。在兩區(qū)接界處形成了空間電荷層及相應(yīng)存在的由Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，阻止兩邊不同的載流子的擴(kuò)散。從能量角度看，ＰＮ結(jié)處形成了一個(gè)勢(shì)壘，圖1-8(b)。因此Ｎ區(qū)內(nèi)的電子和Ｐ區(qū)內(nèi)的空穴要想從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入極性相反的另一個(gè)區(qū)域都需要提供能量。＋＋＋＋＋－－－－－阻擋層Ｅ內(nèi)ｈνＰＮ（ｃ）⊕⊕⊕··Lnχ···ｈνooo

···oooχLp·o復(fù)合電離導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶電子能量（ｄ）圖１－８Ｐ－Ｎ結(jié)光生伏特效應(yīng)·光照射時(shí)，光子可進(jìn)入Ｐ區(qū)，結(jié)區(qū)和Ｎ區(qū)。在這三個(gè)區(qū)域光子被吸收產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。圖1-8(c)、(d)同時(shí)也存在電子與空穴的復(fù)合過(guò)程。在每個(gè)區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起主要作用，Ｐ區(qū)：少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產(chǎn)生的光生電子離結(jié)區(qū)的距離ｘ小于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Ｌｎ（指光生電子從產(chǎn)生到與空穴復(fù)合的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的平均距離），便可靠擴(kuò)散從Ｐ區(qū)進(jìn)入到結(jié)區(qū)而被內(nèi)建電場(chǎng)Ｅ內(nèi)加速趨向Ｎ區(qū)；Ｎ區(qū)：空穴是少數(shù)載流子，只要光生空穴離結(jié)區(qū)距離ｘ小于空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Ｌｐ，便可靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場(chǎng)加速趨向Ｐ區(qū)；結(jié)區(qū)：產(chǎn)生的光生電子－空穴對(duì)，被內(nèi)建電場(chǎng)加速并分離到ＰＮ結(jié)的兩邊。＋＋＋＋＋－－－－－阻擋層Ｅ內(nèi)ｈνＰＮ（ｃ）⊕⊕⊕··Lnχ···ｈνooo

···oooχLp·o復(fù)合電離導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶電子能量（ｄ）圖１－８Ｐ－Ｎ結(jié)光生伏特效應(yīng)·在三個(gè)區(qū)域都是光子產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，靠擴(kuò)散和內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的分離，使電荷積累到ＰＮ結(jié)的兩邊，Ｐ型側(cè)帶正電，Ｎ型側(cè)帶負(fù)電，從而建立一個(gè)與原內(nèi)建電位差相反的電位差ＶL，稱為光生電位差。

在建立光生電位差的過(guò)程中，載流子移動(dòng)形成的電流稱為光生電流ＩL

?光生電位差對(duì)ＰＮ結(jié)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于加上了一個(gè)正向電壓，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向電流Ｉｐ，方向與光生電流ＩＬ方向相反，當(dāng)這兩個(gè)相反電流互相抵消時(shí)，在ＰＮ結(jié)上建立起穩(wěn)定的光生電位差Ｖoc在光的照射下，ＰＮ結(jié)形成了一個(gè)能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的電源，構(gòu)成一個(gè)電池，即光電池。利用ＰＮ結(jié)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(dòng)控制和傳感技術(shù)中。１、光敏二極管（ＰＤ）

硅光敏二極管，Ｉｌ為光生電流，ＲＤ為ＰＮ結(jié)動(dòng)態(tài)電阻，Ｃｊ為結(jié)電容，Ｒｓ為串聯(lián)電阻。光敏二極管的動(dòng)態(tài)電阻隨結(jié)電壓變化很大，結(jié)電容Ｃｊ與負(fù)載電阻ＲＬ構(gòu)成時(shí)間常數(shù)ＲＬＣｊ限制光敏二極管的響應(yīng)速度。光敏二極管有三種工作方式：１）光電導(dǎo)方式：工作方式是在ＰＮ結(jié)外加反向偏置電壓；動(dòng)態(tài)電阻ＲＤ大，負(fù)載電阻可根據(jù)需求選擇；２）光伏短路方式：光敏二極管無(wú)需偏置電壓ＲＬＲＤ；輸出不含暗電流，線性范圍寬，適于弱光檢測(cè)；３）光伏開(kāi)路方式：如圖１－１０所示，光敏二極管工作時(shí)，要求負(fù)載電阻ＲＬＲＤ，其輸出電壓為圖示的斷路電壓。（對(duì)數(shù)關(guān)系，響應(yīng)慢）。ＲＬＶ輸出＝ＩＬＳＲＬ圖１０光電轉(zhuǎn)換電路ＰＤ（ａ）電路符號(hào)ＩｌＲＤＣｊＲｓＲＬ（ｂ）等效電路圖９光敏二極管２、光敏三極管

?光敏三級(jí)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(wú)基極引線和有基極引線兩種類型。有基極引線的光敏三級(jí)管可通過(guò)改變基極偏置電壓來(lái)調(diào)制工作點(diǎn)進(jìn)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(jí)管:以集電結(jié)為光敏二極管，靠光注入載流子在其上產(chǎn)生的光電流加以放大，于集電極回路輸出。光敏三級(jí)管的光電流（集電極電流Ｉ０）與集電極電壓的曲線類似于半導(dǎo)體三極管，只需將半導(dǎo)體三極管的基極電流參數(shù)換成光強(qiáng)參數(shù)即可。發(fā)射極基極集電極光敏三極管的應(yīng)用：光敏三級(jí)管輸出信號(hào)大，在自動(dòng)控制和測(cè)量中有許多應(yīng)用，而且還能與發(fā)光二極管ＬＥＤ一起構(gòu)成復(fù)合型光電器件、如光敏物位傳感器、光電耦合器等。圖１１表示了遮光式〔圖（ａ）、（ｃ）〕和反光式〔圖（ｂ）（ｄ）〕

物位傳感器的示意結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)。物位傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和電氣控制方面有廣泛應(yīng)用，如在計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器中的寫保護(hù)、００磁道檢測(cè)，對(duì)軟盤索引的檢測(cè)都用到光電物位傳感器。產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)、包裹自動(dòng)分理、信件郵編自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)生產(chǎn)線物位測(cè)量與控制、光電編碼器、光電測(cè)速傳感器、光電隔離器、家用電器等方面，都可見(jiàn)到光敏物位傳感器的應(yīng)用。ＬＥＤ光敏三極管被測(cè)物（ａ）ＬＥＤ光敏三極管反光物（ｂ）１２３４（ｃ）１２３４（ｄ）圖１１光電物位傳感器３、ＰＩＮ光敏二極管

為了提高光敏二極管的響應(yīng)速度，應(yīng)減少ＰＮ結(jié)的結(jié)電容Ｃｊ在ＰＮ結(jié)之間設(shè)置一個(gè)高電阻率的Ｉ層能達(dá)到這一目的。如圖1-12所示，在Ｎ型硅片上制作一層含雜質(zhì)少的高組層，而在該層上形成薄的Ｐ層。入射的光由很薄的Ｐ層照射到較厚的Ｉ層，大部分光被Ｉ層吸收，激起光生載流子形成光電流。這使ＰＩＮ光敏二極管能有高的轉(zhuǎn)換效率。??電極輸出信號(hào)反偏壓ＳｉＯ２電極PIN圖１２ＰＩＮ光敏二極管另外，工作時(shí)ＰＩＮ光敏管加有較高的反向偏置電壓，使ＰＩＮ結(jié)的阻擋層加寬，也大大加強(qiáng)了阻擋層中光生載流子的加速電場(chǎng)（約１０３Ｖ／ｃｍ），大幅度減少了載流子在結(jié)內(nèi)的漂移時(shí)間，從而響應(yīng)速度大為提高。ＰＩＮ光敏二極管具有響應(yīng)速度快（０．１μs以下）、靈敏度高、線性較好三大優(yōu)點(diǎn)，可用于光存儲(chǔ)器讀出裝置、遙控裝置、伺服跟蹤信號(hào)檢測(cè)器、光通信等方面。４、雪崩光敏二極管（ＡＰＤ）

雪崩光敏二極管是為提高光探測(cè)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(jié)構(gòu)是在Ｎ型基片上制作Ｐ層，再在上面配置高摻雜濃度的?。校珜?。光線通過(guò)Ｐ＋層，進(jìn)入Ｐ層，產(chǎn)生光生載流子。由于ＰＮ結(jié)上加有近于擊穿電壓的反向偏置電壓，致使Ｐ區(qū)存在很強(qiáng)的電場(chǎng)（約１０５Ｖ／ｃｍ），Ｐ區(qū)的光生載流子被急劇加速，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料禁帶寬度，從而引起碰撞電離，產(chǎn)生新的載流子。這些新生載流子又被加速，又產(chǎn)生更多新的載流子。這一鏈?zhǔn)竭^(guò)程使載流子數(shù)目雪崩式地急劇增長(zhǎng)。這種光電流的內(nèi)部放大機(jī)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(yīng)快，被用于光纖通訊的受光裝置和光磁盤的受光裝置來(lái)處理弱光信號(hào)。用反向偏置的ＰＮ結(jié)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（Ｂｅｃｑｕｅｒａｌ）效應(yīng)

將兩個(gè)同樣的電極浸在電解液中。讓其中的一個(gè)被光照射，那么，在兩個(gè)電極間將產(chǎn)生電位差，這稱為貝克勒效應(yīng)。如圖１３（ａ）所示

最近，為了制造出廉價(jià)的太陽(yáng)能電池，科學(xué)家想模仿葉綠素的光合作用。如圖１３－ｂ所示，兩個(gè)電極與電解質(zhì)溶液接觸。其中的一個(gè)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(zhì)。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(jīng)過(guò)透明電極、外電路、電解質(zhì)再返回染料。將化學(xué)電池、光伏特效應(yīng)結(jié)合起來(lái)可能會(huì)有光明的前途。制造出廉價(jià)高效的太陽(yáng)能電池是解決地球上能源問(wèn)題的途徑之一。該效應(yīng)是發(fā)現(xiàn)最早的光伏特效應(yīng)。前面提及的幾個(gè)光生伏特效應(yīng)是在固體中發(fā)生的。貝克勒效應(yīng)是在液體中的光生伏特效應(yīng)。這種效應(yīng)已°°Ｖ－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋透明電極二氧化鈦粒子電解質(zhì)光敏染料導(dǎo)電玻璃（ａ）（ｂ）圖１３電解質(zhì)被用來(lái)制成實(shí)用化的感光電池。五、光子牽引效應(yīng)

如圖１４所示，當(dāng)一束光子能量還不足以引起電子－空穴產(chǎn)生的激光照射在一塊樣品上時(shí)，可以沿光束傳播的方向，在樣品的兩個(gè)側(cè)端面上，建立起電位差ＶＬ，其大小與光功率成正比。這種現(xiàn)象稱為光子牽引效應(yīng)。

光子具有動(dòng)量。當(dāng)光子與材料中的載流子相互碰撞時(shí)，可以將動(dòng)量傳遞給載流子，因而在光束方向引起載流于的定向運(yùn)動(dòng)，在端面形成電荷累積，產(chǎn)生附加電場(chǎng)，當(dāng)附加電場(chǎng)對(duì)載流子的電場(chǎng)力與光子產(chǎn)生的沖力平衡時(shí)，便建立起穩(wěn)定的電位差VL。與前面提到的光電效應(yīng)不同，那些效應(yīng)都涉及到載流子的產(chǎn)生，都是光子能量轉(zhuǎn)移給電子，而這里不顧及載流于的產(chǎn)生，將光子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,這種轉(zhuǎn)移發(fā)生很快。此類光探測(cè)器具有快速的響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間約１０－９Ｓ）ＶＬ激光Ｎ型半導(dǎo)體＋＋＋＋＋－－－－－圖１４光子牽引效應(yīng)?第四節(jié)俄歇效應(yīng)

1925年法國(guó)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(yīng)。預(yù)想是X射線光子能量越高，逸出光電子的初動(dòng)能越大，在云霧室中形成的軌跡應(yīng)該越長(zhǎng)?？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(diǎn)發(fā)出，其中一條徑跡的長(zhǎng)度隨X射線光子能量的增加而增加，可以用原子內(nèi)殼層光電子發(fā)射來(lái)解釋；而另一條電子徑跡的長(zhǎng)度，不隨X射線光子能量變化，卻同被照射原子類型有關(guān)，不能用光電效應(yīng)來(lái)解釋。后來(lái)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)象稱為俄歇效應(yīng)。俄歇電子的產(chǎn)生過(guò)程

以氬原子為例：

能量大于K殼層電子結(jié)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(gè)空穴，如圖1-(b)所示，K殼層被電離。這時(shí)，原子內(nèi)電子分布失去平衡，縱使靜電力也會(huì)促使較外層的電子來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空穴。較外層電子能量比內(nèi)層高，當(dāng)它為填補(bǔ)空穴躍遷到內(nèi)層時(shí)，應(yīng)將多余的能量釋放出去?！ざ硇娮印ぁえ憃o········0KL1L1躍遷（c）·······?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁ?人射光子或電子·光電子（b）··················K殼層L殼層M殼層真空能級(jí)0M1M2M3L1L2L3（a）圖15俄歇電子發(fā)射解釋的方法有兩種：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(zhuǎn)移，將能量轉(zhuǎn)移給另一個(gè)電子，得到能量的這個(gè)電子從原子中發(fā)射出來(lái)，這就是我們所說(shuō)的俄歇電子。多重能級(jí)之間電子躍遷產(chǎn)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(guò)程中，電子之間存在庫(kù)侖力，使它們?cè)谀芗?jí)之間躍遷，并彼此交換能量。一個(gè)電子能量的降低，伴隨著另一電子能量的增高，這躍遷過(guò)程就是所謂的俄歇效應(yīng)。固體能帶中俄歇電子的發(fā)射俄歇電子能譜的應(yīng)用用俄歇電子譜儀能對(duì)氣體進(jìn)行元素分析和分子類型分析，也可進(jìn)行電離過(guò)程研究。俄歇電子譜儀能成功地進(jìn)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(kuò)散、催化反應(yīng)，薄膜生長(zhǎng)、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(diǎn)，在表面物理、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化劑、冶金、電子等諸多領(lǐng)域有很多重要應(yīng)用。第五節(jié)康普頓效應(yīng)與逆康普頓效應(yīng)

康普頓（A.H.Compton）在1922一1923年間研究物質(zhì)對(duì)X射線的散射，如圖1-17所示，實(shí)驗(yàn)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(zhì)中電子的受迫振動(dòng)，散射光波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)?shù)扔谌肷涔獠ㄩL(zhǎng)，因此，光的波動(dòng)理論不能解釋康普頓效應(yīng)。但將光視為光子流的光量子論可以圓滿地解釋這個(gè)效應(yīng)。將一束X射線投射在石墨上，從不同方位用X射線譜儀來(lái)測(cè)量散射的X射線。在散射的X射線中，除有原波長(zhǎng)的射線外，還有波長(zhǎng)′

＞的射線。這種波長(zhǎng)改變的散射，稱為康普頓效應(yīng).由康普頓觀察并提出了理論解釋，。我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)，從1924一1926年間（當(dāng)時(shí)他是康普頓的研究生），進(jìn)一步觀察X射線對(duì)各種物質(zhì)的散射實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)散射X射線波長(zhǎng)的改變＝′

－，與入射X射線的波長(zhǎng)和散射物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與散射方位有關(guān)，與散射角θ之間有下列簡(jiǎn)單關(guān)系：

＝2sin2θ

/2式中：＝0.00241nm，是實(shí)驗(yàn)得出的常數(shù)。相當(dāng)散射角

θ＝

/2時(shí)的波長(zhǎng)改變。光束視為光子束。。X射線與物質(zhì)的相互作用就可看作光子與實(shí)物微粒的碰撞過(guò)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(kāi)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(guò)程。碰撞前后光子和電子的總動(dòng)量守恒，總能量也守恒。要注意的是光子是以光速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)按相對(duì)論來(lái)考慮問(wèn)題，光子的能量為?

，由質(zhì)能關(guān)系E＝mφC2，得光子質(zhì)量mφ＝?

／C2光子動(dòng)量：p＝mφ

C＝?

／C＝?/

碰撞前、碰撞后總能量守恒，總動(dòng)量守恒分別可寫為：

?＋m0

C2＝?

′＋mC2

……（a）

p＝p′＋m

……（b）利用（a）、（6）二式可得，散射X射線的波長(zhǎng)改變

＝2?/m0

Csin2

θ/2……（c）式中:m＝m0/（1－/c）－1/2，m0為電子靜止質(zhì)量，m0C2電子靜止能，mC2是電子速度為V時(shí)的能量。p＝?/，p′＝?/

′分別表示碰撞前、碰撞后光子的動(dòng)量。如果光子與被原子核緊緊束縛的電子碰撞，這就相當(dāng)于與整個(gè)原子碰撞，上式中電子的靜止質(zhì)量m0

就要用原子的質(zhì)量取代。這樣，將變得很小，光子不會(huì)明顯的改變能量或波長(zhǎng)，所以在散射中仍可觀察到與入射光波長(zhǎng)相同的成份，如圖1-18所示，這入射波長(zhǎng)的位置正好可用來(lái)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(gè)波長(zhǎng)（或兩條強(qiáng)度線）而是有如圖1－18那樣按波長(zhǎng)分布的輪廓線