光電器件的物理基礎(chǔ)

光電器件的物理基礎(chǔ)第一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五本章內(nèi)容：§1-1

光譜與光子能量§1-2

輻射度學(xué)與光度學(xué)§1-3

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1．能帶理論

2．熱平衡態(tài)下的載流子

3．半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

4．非平衡態(tài)下的載流子

5．載流子的輸運(yùn)——擴(kuò)散與漂移§1-4

光電效應(yīng)

1．光電導(dǎo)效應(yīng)

2．光伏效應(yīng)

3．光電發(fā)射效應(yīng)第二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光譜與光子能量

光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光子流。

1860年麥克斯韋提出光是電磁波的理論。光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年,普朗克提出了輻射的量子論。1905年，愛(ài)因斯坦將量子論用于光電效應(yīng)之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光的發(fā)射、吸收、色散、散射。麥克斯韋（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

愛(ài)因斯坦（1879-1955）

第三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光子能量公式：ε=hν光子動(dòng)量公式：p=hν/c=h/λh：普郎克常數(shù)

上面兩公式等號(hào)左邊表示光為微粒性質(zhì)（光子能量與動(dòng)量），等號(hào)右邊表示光為波動(dòng)性質(zhì)（電磁波頻率和波長(zhǎng)）。

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(jí)來(lái)說(shuō)，具有從0.1ev到幾個(gè)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(jìn)行高效率的能量轉(zhuǎn)換。第四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻射度學(xué)(Radiometry)與光度學(xué)(Photometry)輻射度學(xué)(Radiometry)

輻射度學(xué)是研究電磁波輻射能的一門(mén)科學(xué)。由于光是電磁波，故可采用能量為單位建立一套輻射度量來(lái)客觀的衡量光輻射能。

輻射能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。符號(hào)：Qe單位：焦[耳](J)

輻[射能]通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的輻射能，又稱(chēng)輻射功率。

符號(hào)：Φe單位：瓦[特](W)

第五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻[射]出[射]度：從輻射源表面單位面積發(fā)射的輻射通量。符號(hào)：Μe單位：(W/m2)輻[射]照度：投射到單位接收面積的輻射通量。符號(hào)：Εe單位：(W/m2)

輻[射]強(qiáng)度：在指定方向上的單位立體角元內(nèi)，離開(kāi)點(diǎn)輻射源或輻射源面元的輻射功率。

符號(hào)：Ιe單位：(W/sr)

1.立體角的單位是球面度,假設(shè)以錐頂為球心,r為半徑做一圓球，如果錐面在圓球上所截出的面積為半徑平方，則該立體角為一個(gè)球面度。整個(gè)球面有4pi個(gè)球面度。2.對(duì)于同一輻射源，在不同的方向上，輻強(qiáng)度可以不相同。第六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻射亮度：表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。

符號(hào)：Le單位：W/(sr·m2)一般來(lái)說(shuō)，輻射源表面各處的輻射亮度即該面源各方向上的輻射亮度都是不同的。任意方向輻射亮度不變的表面稱(chēng)為朗伯表面。第七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光譜輻射量：

輻射一般由各種波長(zhǎng)組成，每種波長(zhǎng)的輻通量各不相同。總的輻通量為各個(gè)組成波長(zhǎng)的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。

給定波長(zhǎng)λ0處極小波長(zhǎng)間隔dλ內(nèi)的輻通量dΦe稱(chēng)為單色輻通量。

Φe(λ)=dΦe/dλ，Φe(λ)稱(chēng)為光譜輻通量。第八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)單色輻通量進(jìn)行積分

此式中Φe稱(chēng)為多色輻通量。

此式中Φe稱(chēng)為全色輻通量。相應(yīng)的，對(duì)于其他輻射量，也有類(lèi)似的關(guān)系：

Ee(λ)=dEe/dλEe(λ)稱(chēng)為光譜輻照度；Me(λ)=dMe/dλMe(λ)稱(chēng)為光譜輻出射度；Le(λ)=dLe/dλLe(λ)稱(chēng)為光譜輻亮度；

第九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光度學(xué)(Photometry)

光度學(xué)以人的視覺(jué)習(xí)慣為基礎(chǔ)，研究對(duì)可見(jiàn)光的能量的計(jì)算，它使用的參量稱(chēng)為光度量。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(guò)中間介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)，最后被光電器件接收。而接受器對(duì)等能量的不同波長(zhǎng)的光輻射所產(chǎn)生的響應(yīng)是不同的。光譜光視效能K(λ)

接收器對(duì)不同波長(zhǎng)電磁輻射的響應(yīng)程度(反應(yīng)靈敏度)稱(chēng)為光譜響應(yīng)度或光譜靈敏度。對(duì)人眼來(lái)說(shuō)采用光譜光視效能來(lái)表征不同波長(zhǎng)輻射下的響應(yīng)能力，光譜光視效能K(λ)反映了同一波長(zhǎng)下光譜光通量與光譜輻通量之比（光譜輻射通量為Φe(λ)的可見(jiàn)光輻射，所產(chǎn)生的視覺(jué)刺激值即光通量Φv(λ)），即

K(λ)=Φv(λ)/Φe(λ)第十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五人眼在波長(zhǎng)λm=555nm時(shí)，K(λ)最大，記Km=683lm·W-1，λm=555nm稱(chēng)為峰值波長(zhǎng)。對(duì)于某給定波長(zhǎng)下的K(λ)，定義光譜光視效率V(λ)為

V(λ)=K(λ)/Km

V(λ)又稱(chēng)為視見(jiàn)函數(shù)。根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長(zhǎng)的平均V(λ)。圖中實(shí)線為在視場(chǎng)較亮?xí)r測(cè)得的，稱(chēng)為明視覺(jué)V(λ)曲線；虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱(chēng)為暗視覺(jué)V(λ)曲線。對(duì)于暗視覺(jué)，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。所有光度計(jì)量均以明視覺(jué)的K(λ)為基礎(chǔ)。

第十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光度學(xué)的基本物理量

光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。為避免混淆，在輻射度量符號(hào)上加下標(biāo)“e”，在光度量符號(hào)上加下標(biāo)“V”。第十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五人眼對(duì)等量的不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光輻射能所產(chǎn)生的光感覺(jué)是不同的，定義光譜輻射通量為Φe(λ)的可見(jiàn)光輻射，所產(chǎn)生的視覺(jué)刺激值為光通量：

Km=683lm/W,V(555)=1,當(dāng)Φe(555)=1W時(shí)，Φv（555）=683lm對(duì)含有不同光譜的輻射通量的輻射量，它所產(chǎn)生的光通量為對(duì)于其它光度量也有類(lèi)似的關(guān)系。用一般的函數(shù)表示為第十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻射能Qe輻射通量Φe

光能Qv光通量ΦV輻射強(qiáng)度Ιe

發(fā)光強(qiáng)度ΙV輻射亮度Le光亮度Lv輻照度輻出射度光照度光出射度第十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)能帶理論

1．原子能級(jí)與晶體能帶：

能級(jí)（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線表示電子的能級(jí)，此圖稱(chēng)為電子能級(jí)圖。

第十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

能帶（EnegyBand）：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，以硅為例，每立方厘米的體積內(nèi)有5×1022個(gè)原子，原子之間的最短距離為0.235nm。致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)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(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子的共有化。從而使本來(lái)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(duì)應(yīng)的能級(jí)擴(kuò)展為能帶。電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶示意圖a)單個(gè)原子

b)N個(gè)原子第十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五禁帶（ForbiddenBand）：允許被電子占據(jù)的能帶稱(chēng)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(chēng)為禁帶。原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿的允許帶稱(chēng)為滿帶，每一個(gè)能級(jí)上都沒(méi)有電子的能帶稱(chēng)為空帶。電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶示意圖a)單個(gè)原子

b)N個(gè)原子第十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

價(jià)帶（ValenceBand）：原子中最外層的電子稱(chēng)為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶。

導(dǎo)帶（ConductionBand）：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為Ec，價(jià)帶的頂能級(jí)表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔稱(chēng)為禁帶Eg。電子共有化，能級(jí)擴(kuò)展為能帶示意圖a)單個(gè)原子

b)N個(gè)原子第十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五能級(jí)滿帶空帶能帶電子共有化禁帶允許帶不允許電子占據(jù)價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)電子所在的允許帶價(jià)帶頂能級(jí)為Ev空帶最底層導(dǎo)帶底能級(jí)為Ec禁帶寬度Eg被電子占滿無(wú)電子占據(jù)都不導(dǎo)電第十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五a)絕緣體

絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖b)半導(dǎo)體

c)導(dǎo)體1s2s2p3s價(jià)

帶(滿)導(dǎo)

帶(空)3p絕緣體能帶能

隙

較

大導(dǎo)體能帶滿帶

價(jià)帶（半滿）導(dǎo)帶第二十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過(guò)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱(chēng)為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。對(duì)于不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。例如，絕緣材料SiO2的Eg約為5.2eV，導(dǎo)帶中電子極少，所以導(dǎo)電性不好，電阻率>1012Ω·cm。半導(dǎo)體Si的Eg約為1.1eV，導(dǎo)帶中有一定數(shù)目的電子，從而有一定的導(dǎo)電性，電阻率為10-3~1012Ω·cm。金屬的導(dǎo)帶與價(jià)帶有一定程度的重合，Eg=0，價(jià)電子可以在金屬中自由運(yùn)動(dòng)，所以導(dǎo)電性好，電阻率為10-6~10-3Ω·cm。第二十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體

現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料大多為晶體（晶體中原子有序排列，非晶體中原子無(wú)序排列。）晶體分為單晶與多晶：

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(wú)規(guī)則排列的晶粒界隔開(kāi)。晶體構(gòu)造示意圖(a)金剛石結(jié)構(gòu)（Ge、Si晶體）

(b)閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAs晶體）第二十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五本征半導(dǎo)體：

結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。例如純凈的硅稱(chēng)為本征硅。本征硅中，自由電子和空穴都是由于共價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的，所以電子濃度n等于空穴濃度p，并稱(chēng)之為本征載流子濃度ni，ni隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小，室溫下硅的ni約為1010/cm3。雜質(zhì)半導(dǎo)體：

半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體，雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。在技術(shù)上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來(lái)控制半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。第二十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五N型半導(dǎo)體：

在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入五價(jià)原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導(dǎo)體。在晶格中某個(gè)硅原子被磷原子所替代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周?chē)乃膬r(jià)原子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此多余電子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱(chēng)為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為施主能級(jí)ED。ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底。ED與Ec間的能量差稱(chēng)為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)：

(a)施主，或n型第二十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五P型半導(dǎo)體：

在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入三價(jià)原子，例如硼（B），形成P型半導(dǎo)體。晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個(gè)價(jià)電子和周?chē)墓柙又兴膫€(gè)價(jià)電子要組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子變成負(fù)離子，而在硅晶體中出現(xiàn)空穴。容易獲取電子的原子稱(chēng)為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為受主能級(jí)EA，也位于禁帶中。在價(jià)帶頂Ev附近，EA與Ev間能量差稱(chēng)為受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。價(jià)帶(滿)導(dǎo)帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級(jí)++++

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)：

(b)受主，或p型第二十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較

半導(dǎo)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)電子空穴電子濃度nn≥空穴濃度pnP型受主雜質(zhì)空穴電子電子濃度np≤空穴濃度pp摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：

半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。第二十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.一支氦氖激光器（波長(zhǎng)632.8nm）發(fā)出激光的功率為2mw。該激光束的平面發(fā)散角為1mrad，激光器的放電毛細(xì)管直徑為1mm。求出該激光束的光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光亮度、光出射度。2.價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶的定義及它們之間的關(guān)系。施主能級(jí)和受主能級(jí)的定義及符號(hào)。第二十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱平衡態(tài)下的載流子在一定溫度下，若沒(méi)有其他的外界作用，半導(dǎo)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(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時(shí)，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(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過(guò)程形成平衡，稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。

熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能態(tài)（或能級(jí)）的分布，二是這些能態(tài)中每一個(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。第二十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

能級(jí)密度：導(dǎo)帶和價(jià)帶中單位體積、單位能量能級(jí)數(shù)目，用N(E)表示。由固體理論可得，在導(dǎo)帶內(nèi)的能級(jí)密度：在價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)密度：

me*—自由電子的有效質(zhì)量；mp*—自由空穴的有效質(zhì)量；h—普朗克常數(shù)；Ec—導(dǎo)帶的底能級(jí)；Ev—價(jià)帶的頂能級(jí)；由上面兩式可知，當(dāng)離Ev或Ec愈遠(yuǎn)時(shí)，能級(jí)密度N(E)愈大；第二十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五f(E)：費(fèi)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(duì)溫度EF：費(fèi)米能級(jí)在某溫度下熱平衡態(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率fe(E)由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即在價(jià)帶中，如果已知電子的占據(jù)概率，即可求出空穴的概率fp(E)，也就是不被電子占據(jù)的概率費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線

第三十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五費(fèi)米能級(jí)（EF）

EF為表征電子占據(jù)某能級(jí)E的概率的“標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價(jià)帶中空穴的多少。當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2，它并不代表可為電子占據(jù)的真實(shí)能級(jí)，只是個(gè)參考能量。在量子統(tǒng)計(jì)中EF應(yīng)視為固體中電子的化學(xué)勢(shì)。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。重?fù)诫sP型b)輕摻雜P型

c)本征型d)輕摻雜N型

e)重?fù)诫sN型以EF來(lái)定性表示兩能帶中載流子的濃度第三十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五平衡載流子濃度：在導(dǎo)帶能級(jí)中能級(jí)為E的電子濃度為在導(dǎo)帶中總電子濃度為n(E)在整個(gè)導(dǎo)帶底Ec以上所有能量狀態(tài)上的積分，即解得式中——稱(chēng)為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度第三十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五同樣在價(jià)帶中能級(jí)為E的空穴濃度等于為在價(jià)帶中總空穴濃度為p(E)在整個(gè)價(jià)帶頂Ev以下所有能量狀態(tài)上的積分，即式中——稱(chēng)為價(jià)帶有效能級(jí)密度第三十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五N(E)、f(E)、n、與E的關(guān)系圖第三十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

半導(dǎo)體中的平衡載流子同時(shí)包括電子和空穴，故將總電子數(shù)和總空穴數(shù)相乘可得：從上式得到以下結(jié)論：（1）在每種半導(dǎo)體材料中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)，Nc和Nv中含有有效質(zhì)量，是和材料本身性質(zhì)有關(guān)的量；（2）能隙（Eg）越小，n和p乘積越大，導(dǎo)電性愈好；（3）半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度增加而增大。(1)第三十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五本征半導(dǎo)體中的載流子濃度本征半導(dǎo)體中，自由電子濃度等于空穴濃度，可推出其費(fèi)米能級(jí)為因此，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間位置Ei處，其載流子濃度為摻雜半導(dǎo)體中的載流子濃度對(duì)于摻雜半導(dǎo)體，載流子濃度將發(fā)生變化；室溫下，摻入的施主（或受主）原子基本上都電離。在摻雜半導(dǎo)體中，載流子統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律仍然滿足（1）式，可得如下關(guān)系：第三十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五摻雜類(lèi)型N型半導(dǎo)體（Nd—施主原子濃度）P型半導(dǎo)體（Na—受主原子濃度）自由電子濃度空穴濃度費(fèi)米能級(jí)載流子濃度導(dǎo)帶中自由電子濃度高于本征半導(dǎo)體價(jià)帶中自由空穴濃度高于本征半導(dǎo)體第三十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)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)。光垂直入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強(qiáng)遵照吸收定律：Ix=I0(1-r)e-αxIx：距離表面x遠(yuǎn)處的光強(qiáng)I0：入射光強(qiáng)r：材料表面的反射率α：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)第三十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五本征吸收:

半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過(guò)程叫本征吸收。

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Eg，即hν≥Eg從而有ν0≥Eg/h及λ0≤hc/Eg=1.24μm·eV/Eg

h—普朗克常數(shù)；c—光速；ν0—材料的頻率閾值；λ0—材料的波長(zhǎng)閾值材料溫度/KEg/eVλ/μm材料溫度/KEg/eVλ/μmSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1Gap3002.240.55PbS2950.432.9

幾種重要半導(dǎo)體材料的波長(zhǎng)閾值

第三十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五非本征吸收：非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱(chēng)為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長(zhǎng)閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。

第四十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶格吸收：半導(dǎo)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?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱(chēng)為晶格吸收。

半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收。對(duì)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(wàn)倍，一般照明下只考慮本征吸收，可認(rèn)為硅對(duì)波長(zhǎng)大于1.15μm的光透明。自由載流子吸收：導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)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(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱(chēng)為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。激子吸收：價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開(kāi)價(jià)帶，因能量不夠而不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)電子還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱(chēng)為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱(chēng)為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長(zhǎng)閾值的紅外一側(cè)。第四十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五非平衡態(tài)下的載流子半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱(chēng)為非熱平衡態(tài)。載流子濃度對(duì)于熱平衡狀態(tài)時(shí)濃度的增量稱(chēng)為非平衡載流子。電注入：通過(guò)半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)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(jià)帶中的電子吸收了光子能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。第四十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生與復(fù)合

使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為產(chǎn)生，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對(duì)數(shù)目稱(chēng)為產(chǎn)生率G。

使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對(duì)數(shù)目稱(chēng)為復(fù)合率R。

以N型半導(dǎo)體為例，在非平衡狀態(tài)下載流子濃度為：nn＝nn0+Δnnpn＝pn0+ΔpnΔnn≈Δpnnn：N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子的濃度pn：N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴的濃度nn0：光照前一定溫度下熱平衡時(shí)電子的濃度pn0：光照前一定溫度下熱平衡時(shí)空穴的濃度Δnn：非平衡載流子電子的濃度Δpn：非平衡載流子空穴的濃度第四十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：滿足

nnpn?nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱(chēng)為強(qiáng)光注入；滿足

nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn條件的注入稱(chēng)為弱光注入。對(duì)于弱光注入

nn=nn0+Δnn≈nn0pn=pn0+Δpn≈Δpn此時(shí)受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為半導(dǎo)體光電器件對(duì)光的一切響應(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(shí)非平衡載流子濃度

nn=nn0+Δnn=1015+1010≈1015cm-3

pn=pn0+Δpn=104+1010≈1010cm-3第四十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

在光照過(guò)程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時(shí)復(fù)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(dá)到新的平衡。當(dāng)光照停止，光致產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。復(fù)合與非平衡載流子壽命τ

復(fù)合是指電子與空穴相遇時(shí)，成對(duì)消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。

非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢。它決定了光電器件的時(shí)間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。τ的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。第四十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五復(fù)合的三種機(jī)制：表面復(fù)合：

材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過(guò)程稱(chēng)為表面復(fù)合。直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合：

復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過(guò)復(fù)合中心間接復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱(chēng)電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱(chēng)空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱(chēng)電子發(fā)射；電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱(chēng)空穴發(fā)射。1—電子俘獲

2—空穴俘獲3—電子發(fā)射

4—空穴發(fā)射通過(guò)復(fù)合中心進(jìn)行的復(fù)合-產(chǎn)生過(guò)程第四十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五載流子的輸運(yùn)——擴(kuò)散與漂移

電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)與氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)類(lèi)似。當(dāng)沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，電子作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒(méi)有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。漂移：

載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。

在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會(huì)偏離歐姆定律。在弱電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)服從歐姆定律。第四十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五討論漂移運(yùn)動(dòng)的重要參量：

遷移率μ（電子遷移率μn，空穴遷移率μp），μ的大小主要決定于晶格振動(dòng)及雜質(zhì)對(duì)載流子的散射作用。由歐姆定律的微分形式：j=σEj—電流密度；σ—材料導(dǎo)電率；E—電場(chǎng)強(qiáng)度及電流密度的定義：j=nqυn—電子濃度；q—電子電量；υ—電子漂移平均速度得nqυ=σE故υ=(σ/nq)E=μn·E表明電子漂移的平均速度與場(chǎng)強(qiáng)成正比第四十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五在電場(chǎng)中電子所獲得的加速度a=qE/m*qE：表征電場(chǎng)力m*：電子有效質(zhì)量，考慮了晶格對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響并對(duì)電子靜止質(zhì)量進(jìn)行修正后得到的值。

在漂移運(yùn)動(dòng)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(shí)間為tc，則經(jīng)tc后載流子的υ=a·tc=(qE/m*·tc)=(qtc/m*)·E有μ=qtc/m*表明μ與tc、m*有關(guān)。

在同一種半導(dǎo)體中，因電子與空穴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，m*各不相同，故μp、μn不同。

同一種載流子在導(dǎo)電類(lèi)型不同的半導(dǎo)體中，因濃度不同，平均自由程不同，tc也不同，故μ也不同。半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度增加時(shí)，載流子碰撞機(jī)會(huì)增多，tc減小，μ將隨之減小。第四十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五擴(kuò)散：

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

下圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開(kāi)表面距離x的增大而減小，因此非平衡載流子就要沿x方向從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新達(dá)到均勻分布。光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖

第五十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五擴(kuò)散流面密度j與濃度梯度dN(x)/dx成正比：j=-D·dN(x)/dxD為擴(kuò)散系數(shù)，表征非平衡載流子擴(kuò)散能力。式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散流方向與濃度梯度方向相反。

下列關(guān)系式成立：(-D·dN(x)/dx)x-(-D·dN(x)/dx)x+Δx=N(x)Δx/ττ：非平衡載流子平均壽命非平衡載流子沿x軸分布是在邊擴(kuò)散邊復(fù)合中形成的，定態(tài)下，N(x)分布穩(wěn)定，單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合的非平衡載流子數(shù)必然要靠?jī)魯U(kuò)散流補(bǔ)償。

上式兩邊同除以Δx，并對(duì)等號(hào)左邊取Δx→0極限得擴(kuò)散方程：d2N(x)/dx2=N(x)/(τD)利用邊界條件x=0,N(x)=N0；x=∞,N(x)=0，得N(x)=N0e-x/L第五十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五L=(τD)1/2稱(chēng)為擴(kuò)散長(zhǎng)度，表示N(x)減小到的N0的1/e時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離x。光生的非平衡載流子復(fù)合有光后，在復(fù)合前擴(kuò)散的距離有遠(yuǎn)近之分，從而形成N(x)分布曲線。L表示非平衡載流子復(fù)合前在半導(dǎo)體中擴(kuò)散的平均深度。

在擴(kuò)散與漂移同時(shí)存在（半導(dǎo)體既受光照，又外加電場(chǎng)時(shí)）的情況下，擴(kuò)散系數(shù)D（D表示擴(kuò)散的難易）與遷移率μ（μ表示遷移的快慢）之間有愛(ài)因斯坦關(guān)系式：D=(kT/q)μkT/q為比例系數(shù)，室溫下為0.026V故D與μ成正比。

電子與空穴沿x軸擴(kuò)散，但Dn≠Dp，故它們引起的擴(kuò)散流不能抵消。在電場(chǎng)中多子、少子均作漂移運(yùn)動(dòng)，因多子數(shù)目遠(yuǎn)比少子多，所以漂移流主要是多子的貢獻(xiàn)；在擴(kuò)散情況下，如光照產(chǎn)生非平衡載流子，此時(shí)非平衡少子的濃度梯度最大，所以對(duì)擴(kuò)散流的貢獻(xiàn)主要是少子。第五十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.計(jì)算出300K溫度下?lián)饺?015/cm3硼原子的硅片中電子和空穴的濃度及費(fèi)米能級(jí)，畫(huà)出其能帶圖。（當(dāng)300K時(shí)，ni=1.5x1010/cm3,Eg=1.12eV）。2.半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要表現(xiàn)為什么？它產(chǎn)生的條件及其定義。3.擴(kuò)散長(zhǎng)度的定義。擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的愛(ài)因斯坦關(guān)系式。多子和少子在擴(kuò)散和漂移中的作用。第五十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電效應(yīng)

因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)第五十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電導(dǎo)效應(yīng)

光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱(chēng)光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)半導(dǎo)體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱(chēng)為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。第五十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五暗態(tài)下

Gd=σd·A/L,

Id=GdU=σd·AU/L亮態(tài)下

Gl=σl·A/L,

Il=GlU=σl·AU/L亮態(tài)與暗態(tài)之差

Gp=Gl-Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il-Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/LA：半導(dǎo)體材料橫截面面積 L：半導(dǎo)體材料長(zhǎng)度I：電流 U：外加電壓 G：電導(dǎo)σ：電導(dǎo)率 Δσ：光致電導(dǎo)率的變化量下標(biāo)d代表暗，l代表亮，p代表光。當(dāng)入射光功率為常數(shù)時(shí)，所得的光電流稱(chēng)穩(wěn)態(tài)光電流第五十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電導(dǎo)體的靈敏度

靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。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(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益G來(lái)表示。根據(jù)恒照即定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等可推導(dǎo)出：

G=βτ/tL：（1）

式中β為量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)；τ為光生載流子壽命；tL為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間，一般有

tL=L/μE=L2/μU（2）將式（1）代入式（2）可得

G=βτμU/L2L—光電導(dǎo)體兩極間距；μ—為遷移率；E—兩極間的電場(chǎng)強(qiáng)度；U—外加電源電壓。第五十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽命τ越長(zhǎng)，遷移率μ越大，光電導(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導(dǎo)體的靈敏度還與電極間距L的平方成反比。

如果在光電導(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電，那么，光電增益的表達(dá)式為G=β(τnμn+τpμp)U/L2

式中τn和τp分別為自由電子和空穴的壽命；μn和μp分別為自由電子和空穴的遷移率。第五十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電導(dǎo)弛豫過(guò)程

光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(chēng)為弛豫過(guò)程或惰性。

對(duì)光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來(lái)描述弛豫過(guò)程的長(zhǎng)短。τr表示光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。矩形脈沖光照弛豫過(guò)程圖第五十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度（對(duì)應(yīng)于輸出光電流）與光功率頻率變化的關(guān)系，是一個(gè)低通特性，說(shuō)明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)：Δn0：中頻時(shí)非平衡載流子濃度。ω：圓頻率，ω=2πf。τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱(chēng)時(shí)間常數(shù)正弦光照弛豫過(guò)程圖

可見(jiàn)Δn隨ω增加而減小，當(dāng)ω=1/τ時(shí)，Δn=Δn0/

，稱(chēng)此時(shí)f=1/2πτ為上限截止頻率或帶寬。第六十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電增益與帶寬之積為一常數(shù)Mf=(τn/tn+τp/tp)·(1/2πτ)=(1/tn+1/tp)·(1/2π)=常數(shù)。表明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。在實(shí)際應(yīng)用中，既要求光敏電阻的靈敏度愈高愈好，又要求弛豫時(shí)間愈短愈好，顯然這兩者有一定的矛盾。因此，只能根據(jù)實(shí)際需要，折衷地選取。第六十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長(zhǎng)有密切關(guān)系。測(cè)量光電導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個(gè)重要方向，它是針對(duì)不同實(shí)際需要研制材料的一項(xiàng)重要依據(jù)。此外，也只有首先確定了光譜分布，才能利用光電導(dǎo)來(lái)比較不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)。一些典型的半導(dǎo)體本征光電導(dǎo)光譜分布曲線第六十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴激發(fā)成為自由的光生載流子，這就要求光子能量必須大于等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于禁帶寬度，因此雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)的長(zhǎng)。同時(shí)由于雜質(zhì)原子數(shù)目少，所以雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)相對(duì)本征光電導(dǎo)來(lái)說(shuō)也微弱得多。摻有不同量砷施主雜質(zhì)的摻金鍺雜質(zhì)光電導(dǎo)光譜分布曲線第六十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光伏效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結(jié)為例說(shuō)明。制作P-N結(jié)的材料，可以是同一種半導(dǎo)體（同質(zhì)結(jié)），也可以是由兩種不同的半導(dǎo)體材料或金屬與半導(dǎo)體的結(jié)合（異質(zhì)結(jié)）?！敖Y(jié)合”指一個(gè)單晶體內(nèi)部根據(jù)雜質(zhì)的種類(lèi)和含量的不同而形成的接觸區(qū)域，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是指其中的過(guò)渡區(qū)。結(jié)有多種：P-N結(jié)、P-I結(jié)、N-I結(jié)、P+-P結(jié)、N+-N結(jié)等。I型指本征型，P+、N+分別指相對(duì)于p、n型半導(dǎo)體受主、施主濃度更大些。第六十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)P-N結(jié)的形成：

同質(zhì)結(jié)可用一塊半導(dǎo)體經(jīng)摻雜形成P區(qū)和N區(qū)。由于雜質(zhì)的激活能量ΔE很小，在室溫下雜質(zhì)差不多都電離成受主離子NA-和施主離子ND+。在PN區(qū)交界面處因存在載流子的濃度差，故彼此要向?qū)Ψ綌U(kuò)散。設(shè)想在結(jié)形成的一瞬間，在N區(qū)的電子為多子，在P區(qū)的電子為少子，使電子由N區(qū)流入P區(qū)，電子與空穴相遇又要發(fā)生復(fù)合，這樣在原來(lái)是N區(qū)的結(jié)面附近電子變得很少，剩下未經(jīng)中和的施主離子ND+形成正的空間電荷。同樣，空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后，由不能運(yùn)動(dòng)的受主離子NA-形成負(fù)的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動(dòng)的離子區(qū)（也稱(chēng)耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)、阻擋層），于是出現(xiàn)空間電偶層，形成內(nèi)電場(chǎng)（稱(chēng)內(nèi)建電場(chǎng)）此電場(chǎng)對(duì)兩區(qū)多子的擴(kuò)散有抵制作用，而對(duì)少子的漂移有幫助作用，直到擴(kuò)散流等于漂移流時(shí)達(dá)到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場(chǎng)。第六十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱平衡下P-N結(jié)模型及能帶圖

P-N結(jié)能帶與接觸電勢(shì)差：

在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)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。

從能帶圖看，N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個(gè)P區(qū)能帶一起上移，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平為EFN=EFP，載流子停止流動(dòng)為止。在結(jié)區(qū)這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢(shì)壘。第六十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五勢(shì)壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)費(fèi)米能級(jí)之差：qUD=EFN-EFP得UD=(EFN-EFP)/qq：電子電量UD：接觸電勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)對(duì)于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)NA、ND、ni：受主、施主、本征載流子濃度。可見(jiàn)UD與摻雜濃度有關(guān)。在一定溫度下，P-N結(jié)兩邊摻雜濃度越高，UD越大。禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大第六十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光照下的P-N結(jié)P-N結(jié)光電效應(yīng)：光照下光電流的產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖

當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。第六十八頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低，其減小量即光生電勢(shì)差，P端正，N端負(fù)。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τp的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)p，P區(qū)中電子在壽命τn的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)n。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過(guò)L的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散過(guò)程中將全部復(fù)合掉，對(duì)P-N結(jié)光電效應(yīng)無(wú)貢獻(xiàn)。第六十九頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光照下的P-N結(jié)電流方程：

與熱平衡時(shí)比較，有光照時(shí)，P-N結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結(jié)反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時(shí)I=I0eqU/KT-(I0+Ip)令I(lǐng)p=SE，則I=I0eqU/KT-(I0+SE)開(kāi)路電壓Uoc：

光照下的P-N結(jié)外電路開(kāi)路時(shí)P端對(duì)N端的電壓，即上述電流方程中I=0時(shí)的U值：0=I0eqU/KT-(I0+SE)Uoc=(KT/q)ln[(SE+I0)/I0]≈(KT/q)ln(SE/I0)短路電流Isc：

光照下的P-N結(jié)，外電路短路時(shí)，從P端流出，經(jīng)過(guò)外電路，從N端流入的電流稱(chēng)為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時(shí)的I值，得Isc=SE。第七十頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

Uoc與Isc是光照下P-N結(jié)的兩個(gè)重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對(duì)數(shù)關(guān)系，但最大值不超過(guò)接觸電勢(shì)差UD。弱光照下，Isc與E有線性關(guān)系。不同狀態(tài)下P-N結(jié)的能帶圖

a)無(wú)光照時(shí)熱平衡態(tài)，NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為qUD=EFN-EFP。b)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路開(kāi)路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為q(UD-Uoc)。c)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)外電路短路，P-N結(jié)兩端無(wú)光生電壓，勢(shì)壘高度為qUD，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離后流入外電路形成短路電流。d)有光照有負(fù)載，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓U，另一部分光電流被P-N結(jié)因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢(shì)壘高度為q(UD-U)。第七十一頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.P63，第4題2.敘述p-n結(jié)光伏效應(yīng)原理。第七十二頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱(chēng)為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。光電發(fā)射定律解釋圖

第七十三頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：

當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比：Ik=SkF0Ik：光電流 Sk：光強(qiáng) F0：該陰極對(duì)入射光線的靈敏度光電發(fā)射第二定律——愛(ài)因斯坦定律

光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)：Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-AEmax：光電子的最大初動(dòng)能； h：普朗克常數(shù)。ν0：產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。A：金屬電子的逸出功（從材料表面逸出時(shí)所需的最低能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，也稱(chēng)功函數(shù)。

入射光子的能量至少要等于逸出功時(shí)，才能發(fā)生光電發(fā)射。第七十四頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五波長(zhǎng)閾值：

λ0=C/ν0≤hc/A=1.24(μm·eV)/A=1240/A(nm)

當(dāng)入射光波長(zhǎng)大于λ0時(shí)，不論光強(qiáng)如何，以及照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。要用紅外光（λ>0.76μm）發(fā)射電子，必須尋求低于1.8eV的低能閾值材料。光電發(fā)射的基本過(guò)程

光電發(fā)射大致可分三個(gè)過(guò)程：

1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。

2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。

3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。第七十五頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電發(fā)射過(guò)程圖可見(jiàn)好的光電發(fā)射材料應(yīng)該是：（1）對(duì)光的吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；（2）受激電子最好發(fā)生在表面附近，這樣向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地逸出；（4）另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。第七十六頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬的光電發(fā)射

金屬反射掉大部分入射的可見(jiàn)光（反射系數(shù)達(dá)90%以上），吸收效率很低。光電子與金屬中大量的自由電子碰撞，在運(yùn)動(dòng)中喪失很多能量。只有很靠近表面的光電子，才有可能到達(dá)表面并克服勢(shì)壘逸出，即金屬中光電子逸出深度很淺，只有幾nm，而且金屬逸出功大多為大于3eV，對(duì)能量小于3eV（λ>410nm）的可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，只有銫（2eV逸出功）對(duì)可見(jiàn)光最靈敏，故可用于光陰極。但純金屬銫量子效率很低，小于0.1%，因在光電發(fā)射前兩個(gè)階段能量損耗太大。第七十七頁(yè)，共八十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體的光電發(fā)射半導(dǎo)體光電逸出參量：電子親和勢(shì)：導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時(shí)所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量）與導(dǎo)帶底能級(jí)Ec之差。它有表面電子親和勢(shì)Ea與體內(nèi)電子親和勢(shì)Eae之分。Ea是材料的參量，與摻雜、表面能帶彎曲等因素?zé)o關(guān)。而Eae不是材料參量，可隨表面能帶彎曲變化。電子逸出功：電子逸出功是描述材料表面對(duì)電子束縛強(qiáng)弱的物理量，在數(shù)量上等于電子逸出表面所需的最低能量，也可以說(shuō)是光電發(fā)射的能量閾值。金屬有大量的自由電子，沒(méi)有禁帶，費(fèi)米能級(jí)以下基本上為電子所填滿，費(fèi)米能級(jí)以上基本上是空的，表面能帶受內(nèi)外電場(chǎng)影響很小，EF只決定于材料。所以金屬的電子逸出功定義為T(mén)=0K時(shí)真空能級(jí)與EF