第1章第1節(jié)理論基礎新

§1.1理論基礎

§1.1.1能帶理論

§1.1.2光電發(fā)射效應

§1.1.3光電導效應

§1.1.4光伏效應

§1.1.5熱釋電效應第一章：光電信息技術物理基礎光學Optics

（古希臘）

以幾何光學和物理光學為基礎——各種光學儀器和設備（顯微鏡、望遠鏡、照相機、經(jīng)緯儀、光譜儀）。

以電磁輻射為研究對象（黑體輻射）——以光與物質(zhì)相互作用為主要研究內(nèi)容（光電效應、光探測器、新型光源）。電子學Electronics(1910年)

研究電子運動的各種物理過程和物理現(xiàn)象并加以廣泛利用的科學。研究電波的振蕩、傳播，電信號的放大、變換，頻率的穩(wěn)定，混合，檢波等等——半導體微電子學。光電子學Opto-electronics(1955)

光學與電子學相結合的產(chǎn)物。將電子學使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學所不可能產(chǎn)生的許多新功能。以前由電子方法實現(xiàn)的任務現(xiàn)在用光學方法來完成——光電子技術。光子學Photonics(1970)

關于光子的科學及其應用。描述光子在信息傳輸中的應用，包括光子束的產(chǎn)生、導波、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、放大，圖象處理、存儲和探測”。激光——光子時代的領銜主角。本課程學什么？介紹光電檢測技術的物理基礎、電光信息轉(zhuǎn)換、光電信息轉(zhuǎn)換和光電測控技術的應用。原子核用能級表示電子繞核運動的運動狀態(tài)E0基態(tài)1SE2激發(fā)態(tài)2PE1激發(fā)態(tài)2S1.1.1能帶理論原子中電子的能級能帶是現(xiàn)代物理學描寫固體中原子外層電子運動的一種圖象。導體,半導體,絕緣體的區(qū)別是什么？各有什么不同的用途？導體絕緣體和半導體能帶有何異同?

半導體是什么意思?

導體的導電原理

什么是半導體？

什么叫半導體材料?

怎樣知道一個物品是導體還是絕緣體?

半導體中的芯片是什么?

①壓敏性：有的半導體在受到壓力后電阻發(fā)生較大的變化．

用途：制成壓敏元件，接入電路，測出電流變化，以確定壓力的變化．

②熱敏性：有的半導體在受熱后電阻隨溫度升高而迅速減?。?/p>

用途：制成熱敏電阻，用來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化．半導體的一些電學特性

價帶導帶禁帶價帶：能量最高的被價電子填滿的能帶導帶：價帶以上的能帶基本上是空的,

其中能量最低的能帶禁帶：價帶與導帶之間的區(qū)域能帶理論晶體中原子的能帶圖1.1.1-2鈉原子的能級和結晶格中的能帶之比較電子可以在某些整個能帶內(nèi)運動導體中的能帶考慮一種如圖所示能帶結構的金屬，這種能帶結構可能相當于鈉(Z=11)的能級。結論：具有如圖所示那樣能帶結構的物質(zhì)應為良導體，換句話說，良導體(也稱金屬)是那些最高能帶未被完全填滿的固體。又如:Li(1S22S1);Al(1S22S22P63S23P1)Mg(1S22S22P63S2)金屬能帶圖1.1.1-3導體內(nèi)的能帶價帶內(nèi)最上面的電子在外界電場的作用下，可產(chǎn)生集體運動！鈉是良導體疑問：如上面的分析，那么Mg(鎂)是否屬于良導體呢？

6)2s(1鎂s222p3s2晶體能帶sspsp未滿帶1223滿

帶半滿帶3能帶重疊結論：實際上由于最高能帶可能發(fā)生重疊，鎂的3S電子可分布在

3S和3P能帶中，因此鎂應為良導體。對有些物質(zhì)，它們的原子具有滿充殼層，但是在固體時由于最上面的滿帶和一個空帶重疊的話，便成為導體，常稱這些物質(zhì)為半金屬。半金屬能帶絕緣體的能帶現(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，最高能帶即價帶是滿的，而且不與下一個全空的能帶重疊,如圖所示。結論：絕緣體最上面的價帶是滿的，同時和下一個空帶之間有幾個電子伏特能隙的固體。絕緣體能帶

圖1.1.1-5絕緣體半導體的能帶注意：半導體的能帶與絕緣體的能帶很相似，只不過價帶和導帶之間的能隙比絕緣體的要小得多。因此，半導體是一種絕緣體，但它們的價帶和導帶之間的能隙約為1eV或更小?，F(xiàn)在考慮這樣一種物質(zhì)，該物質(zhì)的最高能帶是滿的，而且不與下一個全空的能帶重疊。完全純凈和結構完整的半導體稱為本征半導體。含有缺陷和雜質(zhì)的半導體稱為非本征半導體。半導體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。半導體分類實際上，晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導體的許多特性是由所含的雜質(zhì)和缺陷決定的。因此半導體分為兩類：本征半導體：完全純凈和結構完整的半導體雜質(zhì)半導體N型半導體(摻有施主雜質(zhì)原子，有額外的電子)P型半導體(摻有受主雜質(zhì)原子，有額外的空穴)1.1.2光電發(fā)射效應物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應或稱光電發(fā)射效應，這種現(xiàn)象多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。典型光電器件：光電管、光電倍增管。光電效應外光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光伏效應光電熱效應光電子能譜（photoelectronspectroscopy），利用光電效應的原理測量單色輻射從樣品上打出來的光電子的動能（并由此測定其結合能）、光電子強度和這些電子的角分布，并應用這些信息來研究原子、分子、凝聚相，尤其是固體表面的電子結構的技術。對固體而言，光電子能譜是一項表面靈敏的技術。雖然入射光子能穿入固體的深部，但只有固體表面下20～30埃的一薄層中的光電子能逃逸出來（光子的非彈性散射平均自由程比電子的大10～10倍）,因此光電子反映的是固體表面的信息。在光電器件中，光電管、光電倍增管和某些光電器件都是建立在光電發(fā)射效應基礎上的。典型應用一、外光電效應（光電發(fā)射效應）是指物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象。1、光電發(fā)射第一定律當入射光線的頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK

與被陰極所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK為表征光電發(fā)射靈敏度的系數(shù)。用光電探測器進行光度測量、光電轉(zhuǎn)換的一個最重要的依據(jù)。

2、光電發(fā)射第二定律

發(fā)射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高而線性地增大，而與入射光的光強無關。即光電子發(fā)射的能量關系符合愛因斯坦方程：h：普朗克恒量（6.626055±0.0000040×10-34J.s）；V：入射光頻率；me：

光電子的質(zhì)量；vmax:

出射光電子的最大速率；φO:

光電陰極的逸出功。

3、光電發(fā)射第三定律

當光照射某一給定金屬或某種物質(zhì)時，無論光的強度如何，如果入射光的頻率小于這一金屬的紅限ν0，就不會產(chǎn)生光電子發(fā)射。顯然，在紅限處光電子的初速應該為零，因此，金屬的紅限為4、光電發(fā)射的瞬時性光電發(fā)射的瞬時性是光電發(fā)射的一個重要特性。實驗證明，光電發(fā)射的延遲時間不超過3×10-13s的數(shù)量級。因此，實際上可以認為光電發(fā)射是無慣性的，這就決定了外光外光電效應器件具有很高的頻率響應。光電發(fā)射瞬時性的原因是由于它不牽涉到電子在原子內(nèi)遷移到亞穩(wěn)態(tài)能級的物理過程。

光電發(fā)射不僅發(fā)生在物體的表面層，而且還深入到陰極材料的深層，通常稱為光電發(fā)射的體積效應。而前者則稱為光電發(fā)射的表面效應。光電導效應：是指固體受到光照而改變電導率的現(xiàn)象。

電導率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。

入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質(zhì)能級到某一能帶限的距離)。即光電導有一個最大的響應波長，稱為光電導的長波限λC，若