光電器件的物理基礎

光電器件的物理基礎

本章著重介紹兩個主要內(nèi)容：一個是輻射量和光度量的定義及它們之間的換算關系；另一個是半導體光電器件的物理基礎，如能帶理論、PN結理論、半導體光電導效應、光伏效應和光電發(fā)射過程等。這些是以后各章所述具體光電器件的理論基礎，對于正確理解和掌握各種光電器件的原理、性能和用法是十分重要的。1編輯ppt光電器件的物理基礎本章著重介紹兩個主要內(nèi)容：一本章內(nèi)容：§1-1

光譜與光子能量§1-2

輻射度學與光度學§1-3

半導體基礎知識

1．能帶理論

2．熱平衡態(tài)下的載流子

3．半導體對光的吸收

4．非平衡態(tài)下的載流子

5．載流子的輸運——擴散與漂移§1-4

光電效應

1．光電導效應

2．光伏效應

3．光電發(fā)射效應2編輯ppt本章內(nèi)容：2編輯ppt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。光在傳播時表現(xiàn)出波動性，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，愛因斯坦將量子論用于光電效應之中，提出光子理論。光與物質(zhì)作用時表現(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）

愛因斯坦（1879-1955）

3編輯ppt光譜與光子能量光具有波粒二象性，既是電磁波，又是光光子能量公式：ε=hν光子動量公式：p=hν/c=h/λh：普郎克常數(shù)

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

光電轉(zhuǎn)換一般使用固體材料，利用其量子效應。從固體能級來說，具有從0.1ev到幾個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)進行高效率的能量轉(zhuǎn)換。4編輯ppt光子能量公式輻射度學(Radiometry)與光度學(Photometry)輻射度學(Radiometry)

輻射度學是研究電磁波輻射能的一門科學。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：Qe單位：焦[耳](J)

輻[射能]通量：單位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率。

符號：Φe單位：瓦[特](W)

5編輯ppt輻射度學(Radiometry)與光度學(Photometr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：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：Εe單位：(W/m2)

輻[射]強度：在指定方向上的單位立體角元內(nèi)，離開點輻射源或輻射源面元的輻射功率。

符號：Ιe單位：(W/sr)

1.立體角的單位是球面度,假設以錐頂為球心,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，則該立體角為一個球面度。整個球面有4pi個球面度。2.對于同一輻射源，在不同的方向上，輻強度可以不相同。6編輯ppt輻[射]出[射]度：從輻射源表面單位面積發(fā)射的輻射通量。輻射亮度：表面一點處的面元在給定方向上的輻射強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：Le單位：W/(sr·m2)一般來說，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為朗伯表面。7編輯ppt輻射亮度：表面一點處的面元在給定方向上的輻射強度除以該面元光譜輻射量：

輻射一般由各種波長組成，每種波長的輻通量各不相同?？偟妮椡繛楦鱾€組成波長的輻通量的總和。下圖為某輻通量的連續(xù)分布曲線。

給定波長λ0處極小波長間隔dλ內(nèi)的輻通量dΦe稱為單色輻通量。

Φe(λ)=dΦe/dλ，Φe(λ)稱為光譜輻通量。8編輯ppt光譜輻射量：給定波長λ0處極小波長間隔dλ內(nèi)的輻對單色輻通量進行積分

此式中Φe稱為多色輻通量。

此式中Φe稱為全色輻通量。相應的，對于其他輻射量，也有類似的關系：

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

9編輯ppt對單色輻通量進行積分相應的，對于其他輻射量，也有類似的關系：

光度學(Photometry)

光度學以人的視覺習慣為基礎，研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量。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(輻射源)發(fā)出后經(jīng)過中間介質(zhì)、光學系統(tǒng)，最后被光電器件接收。而接受器對等能量的不同波長的光輻射所產(chǎn)生的響應是不同的。光譜光視效能K(λ)

接收器對不同波長電磁輻射的響應程度(反應靈敏度)稱為光譜響應度或光譜靈敏度。對人眼來說采用光譜光視效能來表征不同波長輻射下的響應能力，光譜光視效能K(λ)反映了同一波長下光譜光通量與光譜輻通量之比（光譜輻射通量為Φe(λ)的可見光輻射，所產(chǎn)生的視覺刺激值即光通量Φv(λ)），即

K(λ)=Φv(λ)/Φe(λ)

10編輯ppt光度學(Photometry)光譜光視效能K(人眼在波長λm=555nm時，K(λ)最大，記Km=683lm·W-1，λm=555nm稱為峰值波長。對于某給定波長下的K(λ)，定義光譜光視效率V(λ)為

V(λ)=K(λ)/Km

V(λ)又稱為視見函數(shù)。根據(jù)對許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計出各種波長的平均V(λ)。圖中實線為在視場較亮時測得的，稱為明視覺V(λ)曲線；虛線為在視場較暗時測得的，稱為暗視覺V(λ)曲線。對于暗視覺，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。所有光度計量均以明視覺的K(λ)為基礎。

11編輯ppt人眼在波長λm=555nm時，K(λ)最大，光度學的基本物理量

光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應的。為避免混淆，在輻射度量符號上加下標“e”，在光度量符號上加下標“V”。12編輯ppt光度學的基本物理量12編輯ppt人眼對等量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光感覺是不同的，定義光譜輻射通量為Φe(λ)的可見光輻射，所產(chǎn)生的視覺刺激值為光通量：

Km=683lm/W,V(555)=1,當Φe(555)=1W時，Φv（555）=683lm對含有不同光譜的輻射通量的輻射量，它所產(chǎn)生的光通量為對于其它光度量也有類似的關系。用一般的函數(shù)表示為13編輯ppt人眼對等量的不同波長的可見光輻射能所產(chǎn)生的光感輻射能Qe輻射通量Φe

光能Qv光通量ΦV輻射強度Ιe

發(fā)光強度ΙV輻射亮度Le光亮度Lv輻照度輻出射度光照度光出射度14編輯ppt輻射能Qe輻射通量Φe光能Qv光通量ΦV輻射強度Ιe發(fā)半導體基礎知識能帶理論

1．原子能級與晶體能帶：

能級（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。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。為簡明起見，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，此圖稱為電子能級圖。

15編輯ppt半導體基礎知識能帶理論1．原子能級與晶體能帶：15編輯pp

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個原子，原子之間的最短距離為0.235nm。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，與此相對應的能級擴展為能帶。電子共有化，能級擴展為能帶示意圖a)單個原子

b)N個原子16編輯ppt能帶（EnegyBand）：晶體中大量的原子集合禁帶（ForbiddenBand）：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。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為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。電子共有化，能級擴展為能帶示意圖a)單個原子

b)N個原子17編輯ppt禁帶（ForbiddenBand）：允許被電

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

導帶（ConductionBand）：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。

導帶的底能級表示為Ec，價帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。電子共有化，能級擴展為能帶示意圖a)單個原子

b)N個原子18編輯ppt價帶（ValenceBand）：原子中最外層能級滿帶空帶能帶電子共有化禁帶允許帶不允許電子占據(jù)價帶導帶價電子所在的允許帶價帶頂能級為Ev空帶最底層導帶底能級為Ec禁帶寬度Eg被電子占滿無電子占據(jù)都不導電19編輯ppt能級滿帶空帶能帶電子共有化禁帶允許帶不允許電子占據(jù)價帶導帶價a)絕緣體

絕緣體、半導體、金屬的能帶圖b)半導體

c)導體1s2s2p3s價

帶(滿)導

帶(空)3p絕緣體能帶能

隙

較

大導體能帶滿帶

價帶（半滿）導帶20編輯ppta)絕緣體

絕緣體、半導體、金屬的能帶圖b)半導體

c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。對于不同的材料，禁帶寬度不同，導帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導電性。例如，絕緣材料SiO2的Eg約為5.2eV，導帶中電子極少，所以導電性不好，電阻率>1012Ω·cm。半導體Si的Eg約為1.1eV，導帶中有一定數(shù)目的電子，從而有一定的導電性，電阻率為10-3~1012Ω·cm。金屬的導帶與價帶有一定程度的重合，Eg=0，價電子可以在金屬中自由運動，所以導電性好，電阻率為10-6~10-3Ω·cm。21編輯ppt導體或半導體的導電作用是通過帶電粒子的運動（形2．本征半導體與雜質(zhì)半導體

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：

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。晶體構造示意圖(a)金剛石結構（Ge、Si晶體）

(b)閃鋅礦結構（GaAs晶體）22編輯ppt2．本征半導體與雜質(zhì)半導體晶體構造示意圖22編輯ppt本征半導體：

結構完整、純凈的半導體稱為本征半導體。例如純凈的硅稱為本征硅。本征硅中，自由電子和空穴都是由于共價鍵破裂而產(chǎn)生的，所以電子濃度n等于空穴濃度p，并稱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)半導體：

半導體中人為地摻入少量雜質(zhì)形成摻雜半導體，雜質(zhì)對半導體導電性能影響很大。在技術上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來控制半導體導電特性。23編輯ppt本征半導體：雜質(zhì)半導體：23編輯pptN型半導體：

在四價原子硅（Si）晶體中摻入五價原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導體。在晶格中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。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。半導體中的雜質(zhì)：

(a)施主，或n型24編輯pptN型半導體：半導體中的雜質(zhì)：

P型半導體：

在四價原子硅（Si）晶體中摻入三價原子，例如硼（B），形成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)定結構，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)定結構，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。價帶(滿)導帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級++++

半導體中的雜質(zhì)：

(b)受主，或p型25編輯pptP型半導體：價帶(滿)導帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級++++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。26編輯pptN型半導體與P型半導體的比較半導體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子少數(shù)載1.一支氦氖激光器（波長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，激光器的放電毛細管直徑為1mm。求出該激光束的光通量、發(fā)光強度、光亮度、光出射度。2.價帶、導帶、禁帶的定義及它們之間的關系。施主能級和受主能級的定義及符號。27編輯ppt1.一支氦氖激光器（波長632.8nm）發(fā)出激光的功率為2m熱平衡態(tài)下的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)，此時載流子濃度即為某一穩(wěn)定值。

熱平衡時半導體中自由載流子濃度與兩個參數(shù)有關：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。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。28編輯ppt熱平衡態(tài)下的載流子在一定溫度下，若沒有其他的外

能級密度：導帶和價帶中單位體積、單位能量能級數(shù)目，用N(E)表示。由固體理論可得，在導帶內(nèi)的能級密度：在價帶內(nèi)的能級密度：

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—導帶的底能級；Ev—價帶的頂能級；由上面兩式可知，當離Ev或Ec愈遠時，能級密度N(E)愈大；29編輯ppt能級密度：導帶和價帶中單位體積、單位能量能級數(shù)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)由費米-狄拉克函數(shù)給出，即在價帶中，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)的概率費米-狄拉克函數(shù)曲線

30編輯pptf(E)：費米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù)在某溫費米能級（EF）

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。當E=EF時，f(E)=1/2，它并不代表可為電子占據(jù)的真實能級，只是個參考能量。在量子統(tǒng)計中EF應視為固體中電子的化學勢。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。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型以EF來定性表示兩能帶中載流子的濃度31編輯ppt費米能級（EF）重摻雜P型b)平衡載流子濃度：在導帶能級中能級為E的電子濃度為在導帶中總電子濃度為n(E)在整個導帶底Ec以上所有能量狀態(tài)上的積分，即解得式中——稱為導帶有效能級密度32編輯ppt平衡載流子濃度：在導帶中總電子濃度為n(E)在同樣在價帶中能級為E的空穴濃度等于為在價帶中總空穴濃度為p(E)在整個價帶頂Ev以下所有能量狀態(tài)上的積分，即式中——稱為價帶有效能級密度33編輯ppt同樣在價帶中能級為E的空穴濃度等于為在價帶中總N(E)、f(E)、n、與E的關系圖34編輯pptN(E)、f(E)、n、與E的關系圖34編輯ppt

半導體中的平衡載流子同時包括電子和空穴，故將總電子數(shù)和總空穴數(shù)相乘可得：從上式得到以下結論：（1）在每種半導體材料中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費米能級無關，Nc和Nv中含有有效質(zhì)量，是和材料本身性質(zhì)有關的量；（2）能隙（Eg）越小，n和p乘積越大，導電性愈好；（3）半導體中的載流子濃度隨溫度增加而增大。(1)35編輯ppt半導體中的平衡載流子同時包括電子和空穴，故將本征半導體中的載流子濃度本征半導體中，自由電子濃度等于空穴濃度，可推出其費米能級為因此，本征半導體的費米能級位于禁帶中間位置Ei處，其載流子濃度為摻雜半導體中的載流子濃度對于摻雜半導體，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。在摻雜半導體中，載流子統(tǒng)計分布規(guī)律仍然滿足（1）式，可得如下關系：36編輯ppt本征半導體中的載流子濃度因此，本征半導體的費米摻雜類型N型半導體（Nd—施主原子濃度）P型半導體（Na—受主原子濃度）自由電子濃度空穴濃度費米能級載流子濃度導帶中自由電子濃度高于本征半導體價帶中自由空穴濃度高于本征半導體37編輯ppt摻雜類型N型半導體P型半導體自由電子濃度空穴濃度費米能級載流半導體對光的吸收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。光垂直入射到半導體表面時，進入到半導體內(nèi)的光強遵照吸收定律：Ix=I0(1-r)e-αxIx：距離表面x遠處的光強I0：入射光強r：材料表面的反射率α：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長等因素有關38編輯ppt半導體對光的吸收半導體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的本征吸收:

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

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

幾種重要半導體材料的波長閾值

39編輯ppt本征吸收:從而有ν0≥Eg/h及非本征吸收：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)。

40編輯ppt非本征吸收：40編輯ppt晶格吸收：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?，從而在遠紅外區(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的光透明。自由載流子吸收：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。激子吸收：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，因能量不夠而不能躍遷到導帶成為自由電子。這時電子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)。41編輯ppt晶格吸收：半導體原子能吸收能量較低的光子，并將非平衡態(tài)下的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。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。42編輯ppt非平衡態(tài)下的載流子半導體在外界條件有變化（如受光照、外電場作產(chǎn)生與復合

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。

以N型半導體為例，在非平衡狀態(tài)下載流子濃度為：nn＝nn0+Δnnpn＝pn0+ΔpnΔnn≈Δpnnn：N型半導體中多數(shù)載流子電子的濃度pn：N型半導體中少數(shù)載流子空穴的濃度nn0：光照前一定溫度下熱平衡時電子的濃度pn0：光照前一定溫度下熱平衡時空穴的濃度Δnn：非平衡載流子電子的濃度Δpn：非平衡載流子空穴的濃度43編輯ppt產(chǎn)生與復合nn＝nn0+Δnnnn：N型半導體中多數(shù)載流子電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。對于弱光注入

nn=nn0+Δnn≈nn0pn=pn0+Δpn≈Δpn此時受影響最大的是少子濃度，可認為半導體光電器件對光的一切響應都是少子行為。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=1015+1010≈1015cm-3

pn=pn0+Δpn=104+1010≈1010cm-344編輯ppt光注入分為強光注入與弱光注入：滿足滿足對于弱光注入44編輯p

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，光致產(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)。復合與非平衡載流子壽命τ

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。

非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產(chǎn)生到復合之前的平均存在時間。它表征復合的強弱，τ小表示復合快，τ大表示復合慢。它決定了光電器件的時間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關系。τ的大小與材料的微觀復合結構、摻雜、缺陷有關。45編輯ppt在光照過程中，產(chǎn)生與復合同時存在，在恒定持續(xù)復合的三種機制：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。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。1—電子俘獲

2—空穴俘獲3—電子發(fā)射

4—空穴發(fā)射通過復合中心進行的復合-產(chǎn)生過程46編輯ppt復合的三種機制：表面復合：直接復合：通過復合中心復合：1—電載流子的輸運——擴散與漂移

電子在晶體中的運動與氣體分子的熱運動類似。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。漂移：

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。47編輯ppt載流子的輸運——擴散與漂移電子在晶體中的運動與討論漂移運動的重要參量：

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及雜質(zhì)對載流子的散射作用。由歐姆定律的微分形式：j=σEj—電流密度；σ—材料導電率；E—電場強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強成正比48編輯ppt討論漂移運動的重要參量：由歐姆定律的微分形式：48編輯ppt在電場中電子所獲得的加速度a=qE/m*qE：表征電場力m*：電子有效質(zhì)量，考慮了晶格對電子運動的影響并對電子靜止質(zhì)量進行修正后得到的值。

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。

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

同一種載流子在導電類型不同的半導體中，因濃度不同，平均自由程不同，tc也不同，故μ也不同。半導體中雜質(zhì)濃度增加時，載流子碰撞機會增多，tc減小，μ將隨之減小。49編輯ppt在電場中電子所獲得的加速度49編輯ppt擴散：

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。

下圖為光注入，非平衡載流子擴散示意圖。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)擴散，使自己在晶格中重新達到均勻分布。光注入，非平衡載流子擴散示意圖

50編輯ppt擴散：光注入，非平衡載流子擴散示意圖50編輯ppt擴散流面密度j與濃度梯度dN(x)/dx成正比：j=-D·dN(x)/dxD為擴散系數(shù)，表征非平衡載流子擴散能力。式中負號表示擴散流方向與濃度梯度方向相反。

下列關系式成立：(-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軸分布是在邊擴散邊復合中形成的，定態(tài)下，N(x)分布穩(wěn)定，單位時間內(nèi)復合的非平衡載流子數(shù)必然要靠凈擴散流補償。

上式兩邊同除以Δx，并對等號左邊取Δx→0極限得擴散方程：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/L51編輯ppt擴散流面密度j與濃度梯度dN(x)/dx成正比：L=(τD)1/2稱為擴散長度，表示N(x)減小到的N0的1/e時所對應的距離x。光生的非平衡載流子復合有光后，在復合前擴散的距離有遠近之分，從而形成N(x)分布曲線。L表示非平衡載流子復合前在半導體中擴散的平均深度。

在擴散與漂移同時存在（半導體既受光照，又外加電場時）的情況下，擴散系數(shù)D（D表示擴散的難易）與遷移率μ（μ表示遷移的快慢）之間有愛因斯坦關系式：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軸擴散，但Dn≠Dp，故它們引起的擴散流不能抵消。在電場中多子、少子均作漂移運動，因多子數(shù)目遠比少子多，所以漂移流主要是多子的貢獻；在擴散情況下，如光照產(chǎn)生非平衡載流子，此時非平衡少子的濃度梯度最大，所以對擴散流的貢獻主要是少子。52編輯pptL=(τD)1/2稱為擴散長度，表示N(x)減1.計算出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米能級，畫出其能帶圖。（當300K時，ni=1.5x1010/cm3,Eg=1.12eV）。2.半導體對光的吸收主要表現(xiàn)為什么？它產(chǎn)生的條件及其定義。3.擴散長度的定義。擴散系數(shù)和遷移率的愛因斯坦關系式。多子和少子在擴散和漂移中的作用。53編輯ppt1.計算出300K溫度下?lián)饺?015/cm3硼原子的硅片中電光電效應

因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光電效應。光電效應外光電效應內(nèi)光電效應光電發(fā)射效應光電導效應光伏效應54編輯ppt光電效應因光照而引起物體電學特性的改變統(tǒng)稱為光光電導效應

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。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。穩(wěn)態(tài)光電導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。55編輯ppt光電導效應光照變化引起半導體材料電導變暗態(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：半導體材料橫截面面積 L：半導體材料長度I：電流 U：外加電壓 G：電導σ：電導率 Δσ：光致電導率的變化量下標d代表暗，l代表亮，p代表光。當入射光功率為常數(shù)時，所得的光電流稱穩(wěn)態(tài)光電流56編輯ppt暗態(tài)下A：半導體材料橫截面面積 L：半導體材料長度當入射光光電導體的靈敏度

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。光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導的強弱。它可以用光電增益G來表示。根據(jù)恒照即定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復合率相等可推導出：

G=βτ/tL：（1）

式中β為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)；τ為光生載流子壽命；tL為載流子在光電導兩極間的渡越時間，一般有

tL=L/μE=L2/μU（2）將式（1）代入式（2）可得

G=βτμU/L2L—光電導體兩極間距；μ—為遷移率；E—兩極間的電場強度；U—外加電源電壓。57編輯ppt光電導體的靈敏度L—光電導體兩極間距；μ—為遷移率；E

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

如果在光電導體中自由電子與空穴均參與導電，那么，光電增益的表達式為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。58編輯ppt光電導體的非平衡載流子壽命τ越長，遷移率μ越大，光電導光電導弛豫過程

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59編輯ppt光電導弛豫過程矩形脈沖光照弛豫過程圖59編輯ppt

當輸入光功率按正弦規(guī)律變化時，光生載流子濃度（對應于輸出光電流）與光功率頻率變化的關系，是一個低通特性，說明光電導的弛豫特性限制了器件對調(diào)制頻率高的光功率的響應：Δn0：中頻時非平衡載流子濃度。ω：圓頻率，ω=2πf。τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時間常數(shù)正弦光照弛豫過程圖

可見Δn隨ω增加而減小，當ω=1/τ時，Δn=Δn0/

，稱此時f=1/2πτ為上限截止頻率或帶寬。60編輯ppt當輸入光功率按正弦規(guī)律變化時，光生載流子濃度（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。此結論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。在實際應用中，既要求光敏電阻的靈敏度愈高愈好，又要求弛豫時間愈短愈好，顯然這兩者有一定的矛盾。因此，只能根據(jù)實際需要，折衷地選取。61編輯ppt光電增益與帶寬之積為一常數(shù)61編輯ppt光電導的光譜分布

半導體的光電導與光照的波長有密切關系。測量光電導的這種光譜分布是確定半導體材料光電導特性的一個重要方向，它是針對不同實際需要研制材料的一項重要依據(jù)。此外，也只有首先確定了光譜分布，才能利用光電導來比較不同波長的光強。一些典型的半導體本征光電導光譜分布曲線62編輯ppt光電導的光譜分布

半導體的光電導與光照的波長有密切關雜質(zhì)光電導的光譜分布

半導體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級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)光電導的光譜響應波長比本征光電導的長。同時由于雜質(zhì)原子數(shù)目少，所以雜質(zhì)光電導效應相對本征光電導來說也微弱得多。摻有不同量砷施主雜質(zhì)的摻金鍺雜質(zhì)光電導光譜分布曲線63編輯ppt雜質(zhì)光電導的光譜分布

半導體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級上光伏效應

光生伏特效應簡稱為光伏效應，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。產(chǎn)生這種電位差的機理有好幾種，主要的一種是由于阻擋層的存在。以下以P-N結為例說明。制作P-N結的材料，可以是同一種半導體（同質(zhì)結），也可以是由兩種不同的半導體材料或金屬與半導體的結合（異質(zhì)結）?！敖Y合”指一個單晶體內(nèi)部根據(jù)雜質(zhì)的種類和含量的不同而形成的接觸區(qū)域，嚴格來說是指其中的過渡區(qū)。結有多種：P-N結、P-I結、N-I結、P+-P結、N+-N結等。I型指本征型，P+、N+分別指相對于p、n型半導體受主、施主濃度更大些。64編輯ppt光伏效應光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或熱平衡態(tài)下的P-N結P-N結的形成：

同質(zhì)結可用一塊半導體經(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散。設想在結形成的一瞬間，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)生復合，這樣在原來是N區(qū)的結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)擴散到N區(qū)后，由不能運動的受主離子NA-形成負的空間電荷。在P區(qū)與N區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生不能移動的離子區(qū)（也稱耗盡區(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（稱內(nèi)建電場）此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場。65編輯ppt熱平衡態(tài)下的P-N結65編輯ppt熱平衡下P-N結模型及能帶圖

P-N結能帶與接觸電勢差：

在熱平衡條件下，結區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠離結區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關系與結形成前狀態(tài)相同。

從能帶圖看，N型、P型半導體單獨存在時，EFN與EFP有一定差值。當N型與P型兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一方向費米能級低的一方流動，空穴流動的方向相反。同時產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向為從N區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場作用下，EFN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為EFN=EFP，載流子停止流動為止。在結區(qū)這時導帶與價帶則發(fā)生相應的彎曲，形成勢壘。66編輯ppt熱平衡下P-N結模型及能帶圖P-N結能帶與接觸電勢差：66勢壘高度等于N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：qUD=EFN-EFP得UD=(EFN-EFP)/qq：電子電量UD：接觸電勢差或內(nèi)建電勢對于在耗盡區(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UD與摻雜濃度有關。在一定溫度下，P-N結兩邊摻雜濃度越高，UD越大。禁帶寬的材料，ni較小，故UD也大67編輯ppt勢壘高度等于N型、P型半導體單獨存在時費米能級之差：67編輯光照下的P-N結P-N結光電效應：光照下光電流的產(chǎn)生動態(tài)圖

當P-N結受光照時，樣品對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，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結。68編輯ppt光照下的P-N結光照下光電流的產(chǎn)生動態(tài)圖光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。這導致在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)生一個與熱平衡P-N結的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。

實際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設N區(qū)中空穴在壽命τp的時間內(nèi)擴散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時間內(nèi)擴散距離為Ln。Ln+Lp=L遠大于P-N結本身的寬度。故可以認為在結附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對光電流有貢獻。而產(chǎn)生的位置距離結區(qū)超過L的電子空穴對，在擴散過程中將全部復合掉，對P-N結光電效應無貢獻。69編輯ppt光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子光照下的P-N結電流方程：

與熱平衡時比較，有光照時，P-N結內(nèi)將產(chǎn)生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時I=I0eqU/KT-(I0+Ip)令Ip=SE，則I=I0eqU/KT-(I0+SE)開路電壓Uoc：

光照下的P-N結外電路開路時P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的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，外電路短路時，從P端流出，經(jīng)過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。即上述電流方程中U=0時的I值，得Isc=SE。70編輯ppt光照下的P-N結電流方程：70編輯ppt

Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。不同狀態(tài)下P-N結的能帶圖

a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。b)穩(wěn)定光照下P-N結外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。c)穩(wěn)定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內(nèi)建電場分離后流入外電路形成短路電流。d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓U，另一部分光電流被P-N結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-U)。71編輯ppt

Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一1.P63，第4題2.敘述p-n結光伏效應原理。72編輯ppt1.P63，第4題72編輯ppt光電發(fā)射效應

金屬或半導體受光照時，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，也稱為外光電效應。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎。光電發(fā)射定律解釋圖

73編輯ppt光電發(fā)射效應金屬或半導體受光照時，如果入射的光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：

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

光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光強度無關：Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-AEmax：光電子的最大初動能； 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（從材料表面逸出時所需的最低能量），單位eV，與材料有關的常數(shù)，也稱功函數(shù)。

入射光子的能量至少要等于逸出功時，才能發(fā)生光電發(fā)射。74編輯ppt光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：光電發(fā)射第二定律——愛因波長閾值：

λ0=C/ν0≤hc/A=1.24(μm·eV)/A=1240/A(nm)

當入射光波長大于λ0時，不論光強如何，以及照射時間多長，都不會有光電子產(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)射的基本過程

光電發(fā)射大致可分三個過程：

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的激發(fā)態(tài)。

2)受激電子從受激地點出發(fā)，在向表面運動過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)達到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢壘對電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。75編輯ppt波長閾值：光電發(fā)射的基本過程75編輯ppt光電發(fā)射過程圖可見好的光電發(fā)射材料應該是：（1）對光的吸收系數(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，這樣向表面運動過程中損失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到達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率，以便能夠通過外電源來補充因光電發(fā)射所失去的電子。76編輯ppt光電發(fā)射過程圖可見好的光電發(fā)射材料應該是：76編輯ppt金屬的光電發(fā)射

金屬反射掉大部分入射的可見光（反射系數(shù)達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，在運動中喪失很多能量。只有很靠近表面的光電子，才有可能到達表面并克服勢壘逸出，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，對能量小于3eV（λ>410nm）的可見光來說，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，只有銫（2eV逸出功）對可見光最靈敏，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)射前兩個階段能量損耗太大。77編輯ppt金屬的光電發(fā)射77編輯ppt半導體的光電發(fā)射半導體光電逸出參量：電子親和勢：導帶底上的電子向真空逸出時所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級（真空中靜止電子能量）與導帶底能級Ec之差。它有表面電子親和勢Ea與體內(nèi)電子親和勢Eae之分。Ea是材料的參量，與摻雜、表面能帶彎曲等因素無關。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電子束縛強弱的物理量，在數(shù)量上等于電子逸出表面所需的最低能量，也可以說是光電發(fā)射的能量閾值。金屬有大量的自由電子，沒有禁帶，費米能級以下基本上為電子所填滿，費米能級以上基本上是空的，表面能帶受內(nèi)外電場影響很小，EF