光電技術(shù)主講馬錫英教授64學時(Optoelectronicstechnology)教材和參考資料教材：王慶有等，《光電技術(shù)》，電子工業(yè)出版社參考資料：《光電技術(shù)概論》作者:安毓英等，

電子工業(yè)出版社；《光電技術(shù)》作者:江文杰施建華，科學出版社，2009；《光電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》作者:郭培源梁麗北京航空航天大學。課程性質(zhì)：專業(yè)必修課程考核平時成績：30％期末考試：70%致謝承蒙參考書目、論文為課件提供了理論承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料聲明此課件僅僅用于課堂教學，不得用于其他商業(yè)用途成績考核&致謝基本內(nèi)容第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)第2章光電導(dǎo)器件第3章光生伏特器件第4章光電發(fā)射器件第5章熱輻射探測器件第6章發(fā)光器件與光電耦合器件第7章光電信息變換第8章圖像信息的光電變換第9章光電信號的數(shù)據(jù)采集與計算機接口技術(shù)第10章光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用第11章光電技術(shù)的新發(fā)展

典型的光電器件：1.半導(dǎo)體激光器（GaAs/GaAlAs異質(zhì)結(jié)激光器）；2.PN結(jié)發(fā)光二極管；3.光電探測器（光敏電阻，紅外探測器、pn結(jié)光伏探測器）；4.光電池（非晶硅太陽能電池-硅光電池）5.光電成像系統(tǒng)（CCD電荷耦合器件：數(shù)碼攝像，CMOS攝像器件，紅外焦平面陣列）；6.顯示器：電致發(fā)光顯示技術(shù)（LED），液晶顯示；7.光纖通信；8.激光雷達；9.光纖傳感器等緒論(Introduction)光電技術(shù)是由光學技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門嶄新的技術(shù)。

主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實現(xiàn)信息的獲取、發(fā)送、探測、傳輸、變換、存儲、處理和重現(xiàn)等。光電技術(shù)是研究“光子”與物質(zhì)中“電子”相互作用的一門科學，它以光學和電子學為基礎(chǔ)，綜合利用光學、電子學、精密機械、儀器儀表、材料科學、控制科學和計算機技術(shù)解決各種工程應(yīng)用課題的技術(shù)學科

21世紀的信息網(wǎng)絡(luò)是以IP（或IP/ATM）協(xié)議控制下的密集波分復(fù)用（DWDM）為基礎(chǔ)的光核心網(wǎng)，

包括有線（光纖或HFC）、無線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī)模的各種接入網(wǎng)所形成的一個靈活、大容量的綜合網(wǎng)。其中全光通信網(wǎng)（AON）是主體，

全光網(wǎng)中的傳輸和交換容量均達到Tb/s量級，將比現(xiàn)有傳輸速率提高100倍以上。

光纖通信及其相應(yīng)的光電子材料、器件、系統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的市場在今后15-20年內(nèi)仍會以高的速率持續(xù)增長。產(chǎn)品主要有連接器附件和元件、耦合器、衰減器、隔離器、波分復(fù)用器等。光電子產(chǎn)業(yè)1.信息光電子產(chǎn)業(yè)

由于具有相干性好、單色性好、高亮度等獨特優(yōu)點，激光在工業(yè)和醫(yī)療方面的應(yīng)用前景非?？捎^，可用來切割、焊接、打孔、熱處理、劃片、光刻以及用來進行手術(shù)、鎮(zhèn)痛、理療等治療。激光加工設(shè)備還將繼續(xù)沿高功率、高質(zhì)量、高可靠、低成本的方向發(fā)展。

2.能量光電子產(chǎn)業(yè)

光電子材料和元器件是光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。4.光子學及光通信器件

主要包括光子的產(chǎn)生、探測、控制和處理，因此，必須有相應(yīng)的光子學器件，光子學器件的時間響應(yīng)和單道超大容量要比電子學器件高得多，這對信息技術(shù)的發(fā)展有很大的推動作用。

3.光電子材料和元器件產(chǎn)業(yè)

5.光存儲器件

20世紀末期興起的光存儲，特別是光盤存儲技術(shù)將對信息的存取產(chǎn)生重大影響。數(shù)字光盤存儲技術(shù)正向更高存儲密度和更高存儲速度方向發(fā)展。角度、波長、空間與移動復(fù)用的全息存儲可以實現(xiàn)和作為緩沖海量信息存儲。三維存儲技術(shù)，如光子引發(fā)的電子俘獲三維存儲光盤和光盤燒孔存儲等高密度存儲等。5.光傳感器件

光電傳感器件在光信號的電學處理方面已經(jīng)在通信、工業(yè)過程控制、光電信號處理以及光計算領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，其蘊涵的市場份額是極為巨大的。6.光顯示器件信息的顯示體現(xiàn)了真正的人機互動關(guān)系。在光子與光電子材料與器件產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有極為重要的地位。在這一領(lǐng)域可發(fā)展液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示（EL）、YAG激光顯示等產(chǎn)業(yè)化工程。

7.光能量轉(zhuǎn)換器件

8.光學圖像器件第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)

光電器件構(gòu)成：光輻射源（光源）:外部產(chǎn)生（探測器）和內(nèi)部產(chǎn)生（發(fā)光）兩種；

光電轉(zhuǎn)換部分：光轉(zhuǎn)換為電，或電轉(zhuǎn)換為光；光輻射源:可見光:太陽,白熾燈,日光燈,激光器,發(fā)光二極管,熒光燈,水銀燈,鈉等紅外線:紅外激光器,太陽,有機體即無機體紫外線:紫外燈,X射線,放射性金屬:射線光探測器:光電效應(yīng),光電倍增管,可見光功率計,光通量計紅外探測器紫外探測器熒光光譜儀納曼光譜儀紅外光譜儀單色儀任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評價都離不開特定的光輻射源與光輻射探測器，所以光輻射和光電轉(zhuǎn)換原理是光電子技術(shù)的基本研究內(nèi)容之一。本章主要介紹光輻射的基本概念和原理，以及在光電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型光輻射源。

1.電磁波的性質(zhì)與電磁波譜

由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣就產(chǎn)生了電磁波。電視臺聲光電電磁波發(fā)射⑴電磁波的電場E和磁場H都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E和H傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。⑵沿給定方向傳播的電磁波，E和H分別在各自平面內(nèi)振動，這種特性稱為偏振。電磁波的性質(zhì)⑷在任一時刻空間任一點，E和H在量值上的關(guān)系為⑸電磁波在真空中傳播的速度為介質(zhì)中的傳播速度為⑶空間各點E和H都作周期性變化，而且相位相同，即同時達到最大，同時減到最小。電磁波譜2.光輻射光以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量?？捎霉鈱W元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。一般認為其波長在10nm~1mm，或頻率在31016Hz~31011Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長用nm、在紅外波段波長用m表示。波數(shù)單位習慣用cm-1?？梢姽猓和ǔＨ藗兲岬降摹肮狻敝傅氖强梢姽?。波長在390~770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍色和紫色。紫外輻射：紫外輻射比紫光波長更短，人眼看不見，波長范圍是1~390nm。又分為近紫外、遠紫外和極遠紫外。極遠紫外在空氣中幾乎會被完全吸收，只能在真空中傳播，又稱為真空紫外輻射。在進行太陽紫外輻射的研究中，常分為A波段(近紫外)、B波段和C波段（遠紫外）。紅外輻射：波長在0.77~1000m的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外和遠紅外三部分。

在可見光云圖上，輻射越大，色調(diào)越白。輻射越小，色調(diào)越暗。通常云層越厚，反照率越大，色調(diào)也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現(xiàn)為黑色，陸地反照率比海洋略大，表現(xiàn)為灰色，而潮濕或森林覆蓋的地區(qū)表現(xiàn)為灰暗的色調(diào)。在電視顯示的衛(wèi)星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍色表示?？梢姽庠茍D對光輻射進行定量描述，需引入計量光輻射的物理量。對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度和光度學兩套不同的單位體系。1.1輻射度學與光度學基本知識(1)在輻射度單位體系(2)光度單位體系輻射度單位體系:輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學適用于整個電磁波段。光度單位體系:

反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎德拉。光度學只適用于可見光波段。兩類單位體系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符號一一對應(yīng)。為了區(qū)別，在對應(yīng)的物理量符號標角“e”表示輻射度物理量，角標“v”表示光度物理量。下面重點介紹輻射度單位體系中的物理量。光度單位體系中的物理量可對比理解。1.輻射量⑴輻射能：以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰浚ㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）。一般用符號Qe表示，其單位是焦耳（J）。⑵輻射通量：輻射通量e又稱為輻射功率。為單位時間內(nèi)流過的輻射能量，即單位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。⑶輻射出射度Me:反映物體輻射能力的物理量。輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即單位：W/m2。⑷輻射強度：點輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，即單位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。

即SddSd圖2輻射亮度示意圖如果一個各向同性均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是e，則該點輻射體在各個方向的輻射強度Ie是常量，有⑸輻射亮度:面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖所示。SddSd圖2輻射亮度示意圖是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度米2（W/sr·m2）。一般輻射體的輻射強度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強度在空間方向上的分布滿足Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強度，又稱為余弦輻射體或朗伯體。(1)式代入(2)式得到余弦輻射體的輻射亮度為余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為⑹輻射照度：在輻射接收面上的輻照度Ee定義為照射在面元dA上的輻射通量與該面元的面積之比。即單位：（W/m2）。輻出度Me為出射強度，輻照度Ee為物體接受的強度，注意區(qū)別。反射體接受輻射后，一部分反射，一部分吸收，則反射出射度為：

輻照量He：在一定時間內(nèi)照射到物體某一面元的輻照度。單位：J/m2曝光量Hv:物體表面在一定時間內(nèi)接收到的光照度Ev.

(7)輻射效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總通量e與外界提供給光源的功率P之比，稱為光源的輻射效率；e=/P100%無量綱光源發(fā)射的總通量e與提供的功率P之比，稱為發(fā)光效率；

v=/P100%單位：流明每瓦（lm·W-1）

2.光源的光譜輻射參量光源發(fā)射的光能是按波長進行分布的。在單位波長內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度在可見光區(qū)單位波長發(fā)射的光度量為光譜光度量

光源在波長λ1、λ2區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻通量量子流速率：光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子能量的總和。若λ~λ+dλ區(qū)間的輻射通量為等de,除以該波長的光子能量h,為光源在λ處的光子總量，稱為光譜量子流速率dNλ在λ1~λ2光譜量子流速率Nλ在可見光區(qū)，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)為由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位不能正確反應(yīng)人對光輻射亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學的物理量可以用與輻度學的基本物理量對應(yīng)的來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。

光度學的基本單位為坎德拉，也是國際單位制（SI）七個基本單位之一。定義為：一個光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色（黃色）輻射，若在給定方向上的輻射強度為1/683W/sr,則該光源在該方向上的發(fā)光強度為1cd.任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。1.3物體熱輻射熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。本節(jié)介紹熱輻射的一些基本定律。1.單色吸收比和單色反射比。任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當輻射從外界入射到不透明的物體表面上時，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射（如果物體是透明的，則還有一部分能量透射）。吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長到+d范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用表示。若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。反射比：反射的能量與入射的能量之比。在波長到+d范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用（T）表示。對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即2.基爾霍夫輻射定律在相同溫度下，不同物體對相同波長的單色輻射出射度(M)與單色吸收比(α)之比都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。即式中

為黑體的單色輻射出射度。3.普朗克公式黑體處于溫度T時，在波長處的單色輻射出射度由普朗克公式給出式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，kB為波爾茲曼常數(shù)。令則(3)式可改寫為不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長的變化曲線?？梢姡孩艑?yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值，對應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）。⑵單色輻射出射度隨溫度的升高而增大。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。4.瑞利-瓊斯公式當很大時，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式

在時，瑞利-瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。5.維恩公式當很小時，，可得到適合于短波長區(qū)的維恩公式

在區(qū)域內(nèi)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。

6.維恩位移定律單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長7.斯忒藩-玻爾茲曼定律其中為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù):斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。

8.色溫為了表示一個熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。由于色溫度是按規(guī)定的兩波長處的輻射比率來比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長不同，色溫度往往也不相同。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。1.4.1人眼的視覺靈敏度

用各種單色輻射分別刺激正常人（標準觀察者）眼的錐狀細胞，當刺激程度相同時，發(fā)現(xiàn)波長=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的V(λ)，即明視覺光譜光視效率通過對標準光度觀察者的實驗測定，在波長555nm處，L有最大值，其數(shù)值為Lm=683lm/W。單色光視效率是L用Lm歸一化的結(jié)果，其定義為對于正常人眼的圓柱細胞，以微弱的各種單色輻射刺激時，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為507nm處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長λ的光譜輻射亮度Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值V`(λ）也是一個無量綱的相對值，它與波長的關(guān)系如上圖中的虛線所示。1.4.2暗視覺光譜光視效率1.4.3輻射體光視效能

一個熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，總光通量Φv為

由上面的式子可以得到

式中,V是輻射體的光視效率。

標準鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖所示，圖中的曲線分別為標準鎢絲燈的相對光譜輻射分、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對光譜輻射分布之積，積分

為曲線所圍的面積Al，而積分

面積A2。因此，可得標準鎢絲

燈的光視效能Kw為lm/W

已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

例如，對于色溫為2856K的標準鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時，其光通量為Φv=1710lm。由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計檢測光照度時，照度將顯著下降。例

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(fā)出的光通量為多少lm？

解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，可以計算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)三、半導(dǎo)體的光電性質(zhì)1.半導(dǎo)體的光吸收(1)本征吸收光照下，價帶中的電子吸收光子能量后從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對。電子的這種帶與帶間躍遷的吸收過程。本征吸收發(fā)生的必要條件：光子能量h大于等于禁帶寬度Eg,即hh0=Eg本征吸收限：當光子頻率小于0(波長大于0)時，吸收系數(shù)迅速下降，對應(yīng)的頻率0或波長0為本征吸收限。hEg只有波長小于L的輻射才能產(chǎn)生本征吸收直接躍遷：躍遷過程中，價帶中的電子垂直躍遷到具有相同波矢k的導(dǎo)帶上。直接帶隙半導(dǎo)體：在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的直接躍遷過程間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶極小值和價帶極大值不具有相同的k的半導(dǎo)體。在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的間接躍遷過程（2）雜質(zhì)吸收在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子（施主或受主原子），在半導(dǎo)體的帶隙中引入雜質(zhì)能級，束縛在雜質(zhì)能級上的電子吸收光能發(fā)生躍遷引起的光吸收。Si、Ge而言，施主通常是V族元素。電離能較小，在Si中約0.04～0.05eV，Ge中約0.01eV。施主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中產(chǎn)生導(dǎo)電電子，其摻雜的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)電離能ΔED：受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)。p型半導(dǎo)體：依靠價帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離能ΔEA：如果光子的能量小于禁帶寬度Eg或小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時，電子不能躍遷到導(dǎo)帶稱為自由電子。但可以與價帶上的空穴形成一個束縛較弱的電子-空穴對，這種電子-空穴對稱為激子。激子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。（3）激子吸收雜質(zhì)吸收限：雜質(zhì)吸收限波長總是大于本征吸收的波長限。（4）自由載流子吸收當入射光子頻率較小，不能引起導(dǎo)帶-價帶間的躍遷，但導(dǎo)帶上的電子（空穴）在其所在的導(dǎo)帶（價帶）內(nèi)的能級上躍遷發(fā)生的光吸收，通常稱為帶內(nèi)躍遷。由于帶內(nèi)能級間隔很小，所以其吸收譜基本上為連續(xù)譜。（5）晶格吸收-又稱為聲子吸收晶格原子對遠紅外普去的光子能量的吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝拥膭幽?，宏觀上引起物體溫度的升高。1.6.光電效應(yīng)

光輻射的物理效應(yīng)分類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)

探測器外光電效應(yīng)（1）光陰極發(fā)射光電子（2）光電子倍增；打拿極倍增通道電子倍增（1）光電管；（2）光電倍增管；（3）像增強管內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)（本征、非本征）；（2）光生伏特；pn結(jié)雪崩，肖特基勢壘光電池，光電二極管，雪崩二極管，肖特基勢壘光電二極管光熱效應(yīng)探測器（1）測輻射熱計（2）負電阻溫度系數(shù)；正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)（1）熱敏電阻測輻熱計；（2）金屬測輻熱計；（3）超導(dǎo)遠紅外探測器（1）溫差電；（2）熱釋電其他熱電偶、熱電堆熱釋電探測器高萊盒，液晶等1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種.本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。種光電導(dǎo)現(xiàn)象——只發(fā)生在半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)，金屬沒有光電導(dǎo)效應(yīng)外電場作用下，載流子漂移運動：載流子濃度載流子的運動速度導(dǎo)電能力的強弱（σ）在截面為S,長度為l的材料上流過電流I，則界面上的電流密度為J=I/S=E設(shè)導(dǎo)體的內(nèi)的電子數(shù)密度為n,電子的漂移速度vd,則電流強度為則電流密度為電場不很強時(E<103V/cm),Vd和E成正比，設(shè)比例系數(shù)為μ，則滿足關(guān)系式：Vd=μE,J=Eμ稱為載流子的遷移率，反映電子在晶體中運動能力的大小。電子電流：微觀角度：空穴電流：漂移電流宏觀角度：對半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率與遷移率成正比。載流子的漂移運動用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率來描述：電導(dǎo)G半導(dǎo)體的電阻Rd：光照下在半導(dǎo)體中產(chǎn)生新的載流子，產(chǎn)生非平衡載流子n、p，影響電導(dǎo)率因素：

1、載流子濃度相關(guān)影響因素2、載流子遷移率相關(guān)影響因素（平均自由時間）散射（碰撞）本征半導(dǎo)體:摻雜半導(dǎo)體:重摻雜半導(dǎo)體近似:對n型半導(dǎo)體，n>>p,=nqn;對p型半導(dǎo)體，p>>n,=nqp;對本征半導(dǎo)體，p=n,=niq(n+p)光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長λ滿足如下條件：式中Eg是禁帶寬度,Ei是雜質(zhì)能帶寬度。n和p又稱之為光生載流子。顯然,n和p將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個量G,我們稱之為光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。電導(dǎo)增量為電導(dǎo)的增加將在外電路電流增加iA=bxd在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為材料有關(guān)性質(zhì)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（1）在弱輻射作用下，光生載流子濃度Δny等于光生空穴濃度Δp，Δn=Δp，光電導(dǎo)靈敏度為可得

強輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

（2）在強輻射的作用下

2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。

當入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其交接面處形成PN結(jié)。PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件，如結(jié)型晶體管、集成電路的心臟。pn結(jié)附近電離的受主、施主所帶電荷稱為空間電荷（不可移動）。所在的區(qū)域為空間電荷區(qū)熱平衡下，多數(shù)載流子的擴散作用于少數(shù)載流子由于內(nèi)電場的漂移作用相抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)。稱為零偏狀態(tài)。內(nèi)建電場空間電荷區(qū)PN空穴電子擴散漂移如果pn結(jié)正向電壓偏置（p正，n負），則有較大正向電流流過pn結(jié)。若pn結(jié)反向電壓偏置，則有一很小的電流流過pn結(jié)。該電流在反向擊穿前幾乎不變，稱為反向飽和電流。pn結(jié)的伏安特性為：Id是暗電流，iso是反向飽和電流零偏條件下如果照射光的波長滿足條件：無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會產(chǎn)生電子空穴對。光照下，在P區(qū)光生空穴對空穴濃度影響很小，而對電子濃度影響很大，從P形成電子擴散勢。若P區(qū)厚度小于電子擴散長度，則電子進入pn結(jié)，內(nèi)建電場掃向n區(qū)，光生電子空穴對被內(nèi)建電場分開，p區(qū)、n區(qū)兩端形成負的開路電壓，稱為光生伏特效應(yīng)。光伏現(xiàn)象——半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)。光照下激發(fā)電子－空穴對時，內(nèi)建電場將電子空穴對分開，在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光生伏特效應(yīng)。光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)——光伏效應(yīng)——光電池，u0=R0i0光照反偏工作時，觀察到的光電信號是光電流，不是光電壓，結(jié)型光電探測器的工作原理反偏pn結(jié)通常稱為光電二極管

當內(nèi)建電場的方向為電流的正方向時，PN結(jié)兩端接入適當?shù)呢撦d電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ作用于PN結(jié)上，在負載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負載電阻的電流應(yīng)為

式中，IΦ為光生電流，Is為暗電流。

當U=0（PN結(jié)被短路）時，輸出電流ISC即短路電流，并有

當I=0時（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為

特殊：光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+Is

光電二極管的暗電流ID一般遠小于光電流IΦ，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

3.丹培(Dember)效應(yīng)

當半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射，在曝光區(qū)由于本征吸收，產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓n0、p0為熱平衡載流子的濃度；Δn0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度；μn=1400cm2/(V·s),μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。

半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負電，產(chǎn)生光生伏特電壓。這種由于雙極性載流子擴散運動速