高二物理 電荷的生成 能帶理論復(fù)習(xí) 競賽

電荷的生成能帶理論復(fù)習(xí)硅和鍺都是金剛石晶格結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料硅和鍺的晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電。＋4＋4＋4＋4＋4電荷的生成能帶理論復(fù)習(xí)能量增加價帶導(dǎo)帶1.12eV硅的能級圖共價鍵示意圖內(nèi)容CCD工作過程電荷的生成電荷的收集電荷包的轉(zhuǎn)移電荷包的測量CCD與CMOS比較小結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的過程；CCD電荷圖像的生成機(jī)理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)；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(dǎo)帶。把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量要超過價帶與導(dǎo)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(fù)習(xí)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(dǎo)帶與價帶之間的能隙(Eg)，就可以把一個電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為自由電子。用公式表示如下:其中h為普朗克常數(shù)，為頻率，為波長，c是光速。2-12-2電荷的生成

光電效應(yīng)中有一個臨界波長（），定義為：當(dāng)時，光子沒有足夠的能量將電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)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(fù)習(xí)

電子一旦被激發(fā)到導(dǎo)帶，它就可以在單晶硅的晶格附近自由運(yùn)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(fù)合壽命)內(nèi)將復(fù)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(fù)合。如何收集電荷？電荷的生成有關(guān)參數(shù) 與CCD電荷生成過程有關(guān)的參數(shù)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(yīng)該是完全透明的，實(shí)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(qiáng)的吸收和反射，減少了最終到達(dá)硅片的光子數(shù)量，如圖中λ1和λ2所表示的情況。x：吸收y：復(fù)合材料的吸收系數(shù)和反射率與波長有關(guān)，在可見光波段，波長越短吸收系數(shù)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(jié)構(gòu)及材料有關(guān)厚型前照明CCD光在表面電極產(chǎn)生反射和吸收，使這種CCD的量子效率比較低，對藍(lán)光的響應(yīng)非常差。其電極結(jié)構(gòu)不容許采用提高性能的增