光電功能材料及應(yīng)用 - 考試重點(diǎn)

導(dǎo)電材料的分類：電子導(dǎo)電材料：起源于電子的運(yùn)動(dòng)離子導(dǎo)電材料：起源于離子的運(yùn)動(dòng)電子導(dǎo)電材料導(dǎo)體σ

≥105S/m超導(dǎo)體σ

無限大半導(dǎo)體σ

在10-7~104S/m材料絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體超導(dǎo)體1在孤立原子中，原子核外的電子具有分立的能量值，或者說電子的能量只能允許有一系列離散的值。電子的（也即原子的）能量被量子化。每一個(gè)能量取值叫做一個(gè)能級(jí)。能級(jí)2允許帶（允帶）

：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，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。滿帶：被電子占滿的允許帶稱為滿帶。空帶：每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的能帶稱為空帶。3導(dǎo)帶：

價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。禁帶：

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。4無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)制：電子導(dǎo)電：載流子是電子或電子空穴；

離子導(dǎo)電：載流子是離子或離子空位。離子電導(dǎo)機(jī)理：導(dǎo)電高分子是指電導(dǎo)率在半導(dǎo)體和導(dǎo)體范圍內(nèi)的高分子材料，也是指其本身或經(jīng)過“摻雜”后具有導(dǎo)電性的一類高分子材料。5各原子間的相互作用

原來孤立原子的能級(jí)發(fā)生分裂若有N個(gè)原子組成一體，對(duì)于原來孤立原子的一個(gè)能級(jí)，就分裂成N條靠得很近的能級(jí)，能帶的寬度記作

E

E

～eV的量級(jí)

若N~1023，則能帶中兩相鄰能級(jí)的間距稱為能帶（energyband）。約為10-23eV。能帶理論回顧6半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理：半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可以按照電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是導(dǎo)電的載流子。激發(fā)既可以是熱激發(fā)，也可以是半導(dǎo)體中非熱激發(fā)，通過激發(fā)，半導(dǎo)體產(chǎn)生載流子，從而導(dǎo)電。7半導(dǎo)體種類按成分元素半導(dǎo)體：本征，摻雜化合物半導(dǎo)體：合金，化合物，陶瓷，有機(jī)高分子本征半導(dǎo)體(<10-9)摻雜半導(dǎo)體(n,p)(>10-9)按雜質(zhì)含量81.n型半導(dǎo)體又稱n型半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體，2.p型半導(dǎo)體

四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱p型半導(dǎo)體。例：硅摻入磷后成了

n型半導(dǎo)體9p-n結(jié)一.p-n結(jié)的形成

在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的面附近產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。電子和空穴的擴(kuò)散，在p型和n型半導(dǎo)體交界p型半導(dǎo)體(補(bǔ)償作用)。受主雜質(zhì)，（電）場(chǎng)該區(qū)就成為n型p型10

內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度，不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。

在p型和n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），其厚度約為0.1

m。p-n結(jié)p型n型11

由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì)壘帶來的附加勢(shì)能。這使電子能帶出現(xiàn)彎曲：第一代電子材料：Si,Ge第二代電子材料：III-V族化合物GaAs,GaP,InP第三代電子材料：SiC,BN,GaN,AlN,ZnSe,金剛石等寬帶半導(dǎo)體。12二、超導(dǎo)特性

1、完全導(dǎo)電性2、完全抗磁性（反磁性）

在超導(dǎo)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)沒有磁力線通過，磁場(chǎng)強(qiáng)度恒為零，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的完全抗磁性，或稱邁斯納效應(yīng)。此時(shí)電流只通過導(dǎo)體表面。某些物質(zhì)當(dāng)冷卻到臨界溫度以下時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生零電阻率和排斥磁場(chǎng)的能力，這種現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)電性，該類材料稱為超導(dǎo)體或超導(dǎo)材料。一、超導(dǎo)定義

13三、超導(dǎo)體的臨界條件1、臨界溫度

TC2、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度HC3、臨界電流密度JC

在無外磁場(chǎng)條件下使超導(dǎo)體通電，當(dāng)電流密度超過一定值后，超導(dǎo)體失去超導(dǎo)電性而恢復(fù)正常態(tài)。破壞超導(dǎo)態(tài)的最小電流密度稱為臨界電流密度JC.14常見的非線性光學(xué)現(xiàn)象：①光學(xué)整流②產(chǎn)生高次諧波③光學(xué)混頻④受激拉曼散射⑤自聚焦⑥光致透明有機(jī)二階NLO分子的設(shè)計(jì)原則：(1)分子不具有對(duì)稱中心(2)分子具有π共軛的電子體系(3)分子內(nèi)存在電荷轉(zhuǎn)移(4)透明性和光學(xué)非線性性能15激光英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

受激輻射的光放大“鐳射”、“萊塞”中文名：1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”《奇異的激光》——小學(xué)五年級(jí)語文課文16(b)：受激吸收處于低能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子，躍遷到高能級(jí)態(tài)；宏觀表現(xiàn)：光被吸收(a)：自發(fā)輻射處于高能級(jí)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子；宏觀表現(xiàn)：發(fā)光17(c)：受激輻射處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。宏觀表現(xiàn)：光被放大自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別：

原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。

受激輻射時(shí),原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。18圖4粒子數(shù)的分布

（a）正常分布（b）反轉(zhuǎn)分布

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的作用在于當(dāng)外來光輻射時(shí)，受激輻射總是大于受激吸收，因而產(chǎn)生了光的放大信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，許多物質(zhì)給予一定激勵(lì)后，能實(shí)現(xiàn)這種反轉(zhuǎn)分布，它為激光的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)或者說占主導(dǎo)地位，就必須使N2>N1。如果借助于外界的激勵(lì)，破壞粒子的熱平衡分布，就可能使高能級(jí)E2的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)E1的粒子數(shù)N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖4。激光器的構(gòu)成：(1).工作物質(zhì)(2).激勵(lì)源(3).諧振腔激光具有下列特點(diǎn)：（1）相干性好。（2）單色性純。（3）方向性好。（4）亮度高。20

一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見，為使光源發(fā)射激光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。激光物質(zhì)是三能級(jí)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)散角?。?.方向性好：激光的特點(diǎn)及應(yīng)用應(yīng)用—激光測(cè)距亮度高：

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。應(yīng)用—激光打孔應(yīng)用—激光核聚變例：下列哪個(gè)應(yīng)用利用了激光方向性好的特點(diǎn)？212.單色性好：激光的特點(diǎn)及應(yīng)用

計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。3.相干性好：

全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。其它應(yīng)用—激光醫(yī)療、美容整形221極化polarization

在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。2自發(fā)極化spontaneouspolarization

在沒有外電場(chǎng)作用時(shí)，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強(qiáng)度。單位面積的極化電荷量稱為極化強(qiáng)度，它是一個(gè)矢量，用P表示，其單位為C/m2。3介電常數(shù)dielectricconstant表征材料極化并儲(chǔ)存電荷能力的物理量稱為介電常數(shù)，用ε表示，無量綱?；靖拍?3介電材料（電介質(zhì)）又稱電介質(zhì)，電極化為特征的材料，是電的絕緣材料。

電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程，即:材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化；分子中正、負(fù)離子相對(duì)位移造成的離子極化;分子固有電偶極矩在外電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。24這3種極化作用并非在任何類型的介電材料中都等額地存在。在一種類型的材料中，往往只有一種或二種極化起主導(dǎo)地位。一般，電子極化存在于一切類型的固體物質(zhì)中；離子極化主要存在于離子晶體中；偶極極化主要存某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”——

機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”——電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。壓電現(xiàn)象壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件晶體結(jié)構(gòu)沒有對(duì)稱中心。壓電體是電介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)必須有帶正負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)。即壓電體是離子晶體或由離子團(tuán)組成的分子晶體。25熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受溫度變化影響時(shí)，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這一效應(yīng)稱為熱釋電效應(yīng)。（熱能轉(zhuǎn)換為電能）晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提：具有自發(fā)極化一定是具有自發(fā)極化的晶體，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有極軸。所謂極軸，顧名思義是晶體唯一的軸，在該軸兩端往往具有不同的性質(zhì)，且采用對(duì)稱操作不能與其它晶向重合的方向。26鐵電體定義鐵電體指在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化且極化輕度可以因外電場(chǎng)而反向的晶體。是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個(gè)分支。鐵電體具有電滯回線，具有許多電疇。晶體的鐵電性在熱釋電晶體中，有若干種點(diǎn)群的晶體不但在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在不超過晶體擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下，其取向可以隨電場(chǎng)改變，這種特性稱為鐵電性。具有這種性質(zhì)的晶體成為鐵電體。鐵電體的共同特征：①具有電滯回線；②具有結(jié)構(gòu)相變溫度（居里點(diǎn)）；③具有臨界特性鐵電體重要的特征之一是電滯回線。271.太陽能光伏電池定義

太陽能光伏電池——太陽能

電能

光生伏打效應(yīng)（光伏效應(yīng)）：即某些材料（在氣體、液體和固體）吸收了光能之后具有產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏效應(yīng)p-n結(jié)及兩邊產(chǎn)生的光生載流子就被內(nèi)建電場(chǎng)所分離，在p區(qū)聚集光生空穴，在n區(qū)聚集光生電子，使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。上述過程通常稱作光生伏特效應(yīng)或光伏效應(yīng)。光生電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)方向和平衡p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相反。當(dāng)太陽能電池的兩端接上負(fù)載，這些分離的電荷就形成電流。

28（1）開路電壓（Uoc）

（2）短路電流（Isc）

（3）最大輸出功率（P）

Pm=