高二物理 電荷的生成 能帶理論復習 競賽

電荷的生成能帶理論復習硅和鍺都是金剛石晶格結構半導體材料硅和鍺的晶格結構屬于金剛石晶格:每個原子被四個最鄰近的原子所包圍。每個原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結構稱為共價鍵。每個電子對組成一個共價鍵，組成共價鍵的電子稱為價電子。價電子通常位于價帶，不能導電。＋4＋4＋4＋4＋4電荷的生成能帶理論復習能量增加價帶導帶1.12eV硅的能級圖共價鍵示意圖內容CCD工作過程電荷的生成電荷的收集電荷包的轉移電荷包的測量CCD與CMOS比較小結CCD的工作過程1前照明光輸入1背照明光輸入2電荷生成3電荷收集4電荷轉移5電荷測量視頻輸出此圖摘自JamesJanesick“DuelingDetectors”CCD的性能很大程度上是由電荷圖像的生成決定的，CCD電荷圖像的生成是CCD工作最重要的過程之一。電荷的生成CCD電荷圖像的生成過程就是光電轉換的過程；CCD電荷圖像的生成機理是半導體的光電效應；CCD電荷圖像的生成理論是固體物理的能帶理論。

通過加熱或光照，處于價帶的電子可以被激發(fā)到導帶。把電子由價帶激發(fā)到導帶所需的能量要超過價帶與導帶之間的能隙Eg(硅的Eg＝1.12eV,砷化鎵的Eg＝1.42eV)。photonphoton空穴電子電荷的生成能帶理論復習電荷的生成

如果一個入射光子的能量(Eph)大于或等于這種材料導帶與價帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個電子激發(fā)到導帶而成為自由電子。用公式表示如下:其中h為普朗克常數，為頻率，為波長，c是光速。2-12-2電荷的生成

光電效應中有一個臨界波長（），定義為：當時，光子沒有足夠的能量將電子由價帶激發(fā)到導帶。這時光子只是穿過這個材料。對于本征(intrinsic)硅有：這是CCD長波限制，短波如何？2-3電荷的生成能帶理論復習

電子一旦被激發(fā)到導帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運動了。 電子離開后所形成的空穴成為一個帶正電的載流子。 在沒有外電場的情況下，這樣的一對電子和空穴會在一定時間(復合壽命)內將復合并湮滅。在CCD中，利用一個電場把這些載流子收集起來，防止他們的復合。如何收集電荷？電荷的生成有關參數 與CCD電荷生成過程有關的參數是量子效率(QE)和暗電流。 影響QE的因素有吸收(absorption)、反射(reflection)和穿越(transmission)等。

影響暗電流的因素主要是溫度。電荷的生成

理想情況下，電極材料應該是完全透明的，實際上這些材料對光都有一些吸收和反射。如多晶硅電極對短波光有較強的吸收和反射，減少了最終到達硅片的光子數量，如圖中λ1和λ2所表示的情況。x：吸收y：復合材料的吸收系數和反射率與波長有關，在可見光波段，波長越短吸收系數和反射率越大。圖中光線的顏色只是示意，不代表光譜！CCD短波限制與結構及材料有關厚型前照明CCD光在表面電極產生反射和吸收，使這種CCD的量子效率比較低，對藍光的響應非常差。其電極結構不容許采用提高性能的增