第一節(jié)光輻射度量與光度量第二節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第三節(jié)光電效應(yīng)

光輻射：通常把對應(yīng)于真空中的波長在380nm到780nm范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。廣義地講，X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射都可以叫光輻射。光源：發(fā)出光輻射的物體叫光源。光電技術(shù)中的光源可分為自然光源和人造光源兩類。長波區(qū)射線區(qū)光學(xué)區(qū)1、輻射能Qe：輻射能是一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接收的能量，單位為J(焦耳)。

2、輻射能密度we

:光源在單位體積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。

3、輻射通量Φe：又稱輻射功率，是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦(1W=1J/s)，是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。

4、輻射強(qiáng)度

Ie：輻射強(qiáng)度定義為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為W／sr(瓦每球面度)，5、輻射亮度Le：由輻射表面定向發(fā)射的的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于該方向的平面上的正投影面積。單位為(瓦每球面度平方米)。

★輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射特性，而后者則為描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性。

對于理想的散射面，有

Ee=Me

光譜輻射度量：光譜輻射度量也叫輻射量的光譜密度。輻射源所輻射的能量往往由許多不同波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射通量，需要對某一波長的單色光的輻射能量作出相應(yīng)的定義。光譜輻射度量是單位波長間隔內(nèi)的輻射度量。

1、光譜輻射通量Φλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，也稱光譜密度或單色輻射通量。單位為(瓦每微米)或(瓦每納米)。

在波長λ處的光譜輻射通量為

在整個(gè)光譜內(nèi)，總的輻射通量為4、光譜輻射亮度Lλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度。

5、光譜輻射照度Eλ

：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射照度。1、關(guān)于輻射度量，正確的是（）A、Ee是描述擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射特性B、Ie為從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的輻射能

C、

對于理想的散射面，有Ee=Me

D、

Φe是輻射能的時(shí)間變化率

小測試

在任何條件下，完全吸收任何波長的外來輻射而無任何反射的物體。吸收系數(shù)為1。

對于各種波長的電磁波的吸收系數(shù)為常數(shù)且與波長無關(guān)的物體，其吸收系數(shù)介于0與1之間的物體。2、什么是黑體？3、什么是灰體？

光度量只在光譜的可見波段(380nm-780nm)才有意義。

光度量中最基本的單位是發(fā)光強(qiáng)度單位——坎德拉，記作cd，它是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。其定義是555nm波長的單色輻射，在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1／683Wsr-1時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為lcd。

光通量的單位是流明(lm)，它是發(fā)光強(qiáng)度為lcd的均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光照度的單位是勒克斯(lx)，它相當(dāng)于lm的光通量均勻地照在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。

人眼對各種波長的光的感光靈敏度是不一樣的，一般情況下，對綠光最靈敏，對紅光靈敏度較差。

視見函數(shù)：國際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的光的平均相對靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率V(λ),或稱視見函數(shù)。2、發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度。3、光出射度M：光源表面給定點(diǎn)處單位面積內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度。4、光照度E：被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量，稱為該點(diǎn)的光照度。距離平方反比定律

☆用點(diǎn)光源照明時(shí)，被照面的照度E與光源的發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與被照面到光源的距離l的平方成反比。

?如果被照面不垂直于光線方向，而法線與光線的夾角為θ，則：?對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比，其中ρ為漫反射率，它小于1，它與表面的性質(zhì)無關(guān)。5、光亮度L：光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度。θ為給定方向與面元法線間的夾角。6、光量Q：光通量Φ對時(shí)間的積分，稱為光量。明視覺：錐狀細(xì)胞只對亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光譜范圍為可見光，在555納米處最為敏感，而且能分辨顏色。這種視覺功能稱為明視覺或錐體細(xì)胞視覺；暗視覺：亮度低于10-3cd/m2的時(shí)，桿狀細(xì)胞起作用。其敏感的光譜范圍為0.33微米~0.73微米，在507納米處最為敏感，不能分辨顏色。這種視覺功能稱為暗視覺或夜間視覺；對于明視覺，刺激程度平衡條件為：其中：Km為555納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。光度參量輻射度參量對于暗視覺，刺激程度平衡條件為：光度參量輻射度參量其中：為507納米處的光度量對輻射度量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。一、填空題：1、通常把對應(yīng)于真空中波長在（）到（）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（

），另一類是（

）。3、光具有波粒二象性，既是（

），又是（

）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（

），但當(dāng)光與物質(zhì)之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（

）。

二、簡答題：1、輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？2、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？

三、證明題：證明點(diǎn)光源照度的距離平方反比定律，兩個(gè)相距10倍的相同探測器上的照度相差多少倍？四、計(jì)算題：已知某激光器的輸出功率為3mW，波長視見函數(shù)為0.24，試計(jì)算其發(fā)出的光通量。物體按導(dǎo)電能力分：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。做光電器件的主要材料為半導(dǎo)體，電阻率在10－6～10－3Ω?cm范圍之內(nèi)的物質(zhì)稱為導(dǎo)體；電阻率大于1012Ω?cm以上的物質(zhì)稱為絕緣體；介于它們之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

?半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。它對溫度的變化非常敏感。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。?半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生非常重要的變化。一、半導(dǎo)體的特性二、能帶理論★能級：在孤立原子中，原子核外的電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，它們具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級。介于各能級之間的量子態(tài)是不存在的?！铩败壍馈保弘娮映霈F(xiàn)幾率最高的部分區(qū)域?！锱堇幌嗳菰恚涸谝粋€(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)相同的電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。電子首先填滿最低能級，而后依次向上填，直到所有電子填完為止?！锬軒В壕w中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)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(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)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(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶。

★禁帶：晶體中允許被電子占據(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。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個(gè)能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。

★價(jià)帶：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。

★導(dǎo)帶：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。

允許帶（導(dǎo)帶）允許帶（價(jià)帶）允許帶（滿帶）禁帶禁帶★導(dǎo)帶的底能級表示為Ec（或E-），價(jià)帶的頂能級表示為Ev（或E+）

，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖a)絕緣體

b)半導(dǎo)體

c)金屬?半導(dǎo)體兩端加電壓后:★如果價(jià)帶中填滿了電子而沒有空能級，在外電場的作用下，又沒有足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，那么價(jià)帶中的電子是不導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶(滿帶)★如果價(jià)帶中的電子在外界作用下，能夠躍遷到導(dǎo)帶中，則價(jià)帶中留空位，鄰近能級上的電子在電場作用下可以躍入這些空位，而在這些電子原來的能級上就出現(xiàn)空位。這樣有些電子在原來熱運(yùn)動(dòng)上迭加定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶★由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級，所以在外電場的作用下，導(dǎo)帶電子能夠得到足夠的能量躍遷到空的能級上，形成電流，所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶?價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是：能給電子提供足夠能量的外界作用、電子躍入的能級是空的。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶1、關(guān)于能帶理論，正確的是（）

A、價(jià)帶是允許帶B、導(dǎo)帶是滿帶

C、禁帶是允許帶

D、導(dǎo)帶是允許帶

2、關(guān)于半導(dǎo)體，錯(cuò)誤的是（）

A、電阻溫度系數(shù)一般是正的

B、導(dǎo)電性能不受微量雜質(zhì)的影響

C、對溫度的變化非常敏感

D、導(dǎo)電性受熱、光、電、磁等外界作用的影響

小測試3、關(guān)于物體導(dǎo)電能力，正確的是（）

A、物體導(dǎo)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

B、物體導(dǎo)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

C、物體價(jià)帶上的電子越多，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

D、物體價(jià)帶上的電子越少，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。

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。

現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)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：⑴本征半導(dǎo)體?完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。★在沒有外界作用和絕對零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中沒有電子，價(jià)帶中沒有空穴，它是不導(dǎo)電的?！镉捎诎雽?dǎo)體的禁帶寬度較小，所以在外界作用下，價(jià)電子可以激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶中，這樣本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，本征半導(dǎo)體就有了導(dǎo)電能力。?晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，而雜質(zhì)原子上的能級和晶體其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶體能帶的范圍之內(nèi)。⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

在晶格中摻入某個(gè)硅原子被磷原子所替代，五價(jià)原子用四個(gè)價(jià)電子與周圍的四價(jià)原子形成共價(jià)鍵，而多余一個(gè)電子，此多余電子受原子束縛力要比共價(jià)鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價(jià)原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)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(dǎo)帶底EC

。ED與EC間的能量差稱為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。P型半導(dǎo)體

晶體中某個(gè)硅原子被硼原子所替代，硼原子的三個(gè)價(jià)電子和周圍的硅原子中四個(gè)價(jià)電子要組成共價(jià)鍵，形成八個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尚缺一個(gè)電子。于是很容易從硅晶體中獲取一個(gè)電子形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使硼原子外層多了一個(gè)電子變成負(fù)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(jià)帶頂EV附近，EA與EV間能量差稱為受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：

半導(dǎo)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(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體三、熱平衡載流子在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)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(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時(shí)，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(fù)合。在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的載流子成為熱平衡載流子，它的濃度即為某一穩(wěn)定值。★根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律?！镌谀硿囟认聼崞胶鈶B(tài)，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即

熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：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(gè)能態(tài)可能被電子占據(jù)的概率。f(E)：費(fèi)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(fèi)米能級(絕對零度時(shí)的電子的最高能級)費(fèi)米-狄拉克函數(shù)曲線當(dāng)E=EF時(shí)，f(E)=1/2當(dāng)E<EF時(shí)，f(E)>1/2當(dāng)E>EF時(shí)，f(E)<1/2★若(E－EF)>>kT時(shí)

隨著E的增加，f(E)迅速減小，所以導(dǎo)帶中的大部分電子的能量是在導(dǎo)帶底EC附近。同樣價(jià)帶中空穴的絕大部分都在價(jià)帶頂EV附近。

EF為表征電子占據(jù)某能級E的概率的“標(biāo)尺”，它定性表示導(dǎo)帶中電子或價(jià)帶中空穴的多少。常溫下EF隨材料摻雜程度而變化。對于本征半導(dǎo)體

EF≈(EC+EV

)/2

一般，費(fèi)米能級在禁帶中，(E－EF)比kT

大得多。所以半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子濃度n和價(jià)帶空穴濃度p分別為：N－為導(dǎo)帶的有效能級密度N＋為價(jià)帶的有效能級密度ni稱為半導(dǎo)體的本征載流子濃度對本征半導(dǎo)體而言n=p

對于一種確定的半導(dǎo)體，不管它是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，也不管摻雜的程度如何，在熱平衡狀態(tài)下，兩種載流子的濃度乘積必定等于一個(gè)常數(shù)——本征載流子濃度的平方。a)重?fù)诫sP型

b)輕摻雜P型

c)本征型

d)輕摻雜N型

e)重?fù)诫sN型小測試半導(dǎo)體的費(fèi)米能級圖如下圖所示，以下表述中正確的是（）A、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是N型半導(dǎo)體（3）是P型半導(dǎo)體B、（1）是本征半導(dǎo)體（2）是P型半導(dǎo)體（3）是N型半導(dǎo)體C、（1）是N型半導(dǎo)體（2）是P型半導(dǎo)體（3）是本征半導(dǎo)體D、（1）是P型半導(dǎo)體（2）是N型半導(dǎo)體（3）是本征半導(dǎo)體四、非平衡載流子

半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)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(shí)濃度的增量稱為非平衡載流子?！镫娮⑷耄和ㄟ^半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞?！锕庾⑷耄汗庾⑷胂庐a(chǎn)生非平衡載流子表現(xiàn)為價(jià)帶中的電子吸收了光子能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下等量的空穴。產(chǎn)生非平衡載流子的方法光注入分為強(qiáng)光注入與弱光注入：滿足

nnpn>>nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn條件的注入稱為強(qiáng)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≈nn0

pn=pn0+Δpn≈Δpn此時(shí)受影響最大的是少子濃度，可認(rèn)為一切半導(dǎo)體光電器件對光的響應(yīng)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(shí)非平衡載流子濃度

nn=nn0+Δnn=5.5×1015+1010≈5.5×1015cm-3

pn=pn0+Δpn=3.5×104+1010≈1010cm-3

使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為產(chǎn)生，單位時(shí)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(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為復(fù)合率R。

在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時(shí)存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時(shí)復(fù)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(dá)到新的平衡。當(dāng)光照停止，光產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時(shí)，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。總結(jié)非平衡載流子壽命τ（1）非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。（2）當(dāng)非平衡載流子的濃度衰減到原來的1/e所需的時(shí)間。（3）它表征非平衡載流子的復(fù)合的快慢，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢。復(fù)合是指電子與空穴相遇時(shí)，成對消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。復(fù)合種類

通過復(fù)合中心復(fù)合：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。通過復(fù)合中心間接復(fù)合包括四種情況：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲；電子從復(fù)合中心被激發(fā)到導(dǎo)帶稱電子發(fā)射；電子從價(jià)帶被激發(fā)到復(fù)合中心稱空穴發(fā)射。表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價(jià)帶，與價(jià)帶中的空穴復(fù)合。五、載流子的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)沒有外加電場時(shí)，電子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為漂移。

在強(qiáng)電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會(huì)偏離歐姆定律。在弱電場作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運(yùn)動(dòng)服從歐姆定律。在N型半導(dǎo)體中，漂移所引起的電流密度為：j電流密度;n為載流子密度；q為電子電荷；υ為載流子平均漂移速度歐姆定律的微分形式為：

有一定的電場強(qiáng)度，就有一定的電流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此電場強(qiáng)度與平均漂移速度有關(guān)系。

遷移率表示載流子在單位電場作用下所取得的漂移速度。

在電場中電子所獲得的加速度為在漂移運(yùn)動(dòng)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(shí)間為τf，則經(jīng)τf

后載流子的平均漂移速度為

遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時(shí)間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移率比電子的遷移率小?？偨Y(jié)

在電場作用下，任何載流子都要作漂移運(yùn)動(dòng)。一般情況下，少數(shù)載流子比多數(shù)載流子少得多，因此漂移電流主要是多數(shù)載流子的貢獻(xiàn)。在擴(kuò)散情況下，只有光照所產(chǎn)生的少數(shù)載流子存在很大的濃度梯度，所以對擴(kuò)散電流的貢獻(xiàn)主要是少數(shù)載流子。六、半導(dǎo)體對光的吸收

由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的吸收稱為本征吸收。

物體受光照射，一部分被物體反射，一部分被物體吸收，其余的光透過物體。半導(dǎo)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(chǔ)。

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。即截止波長

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(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)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(yuǎn)紅外區(qū)。

導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)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。

價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個(gè)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)。

半導(dǎo)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?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

半導(dǎo)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(rèn)為硅對波長大于1.15μm的可見光透明。

半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。把N型、P型和本征（i型）半導(dǎo)體配合起來，結(jié)成不均勻的半導(dǎo)體，能制造各種半導(dǎo)體器件。

在無外電場或其它因素激發(fā)時(shí)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)，沒有電流流過。空間電荷區(qū)的寬度和電位差為恒定值?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子，所以又稱耗盡層，其寬度一般為數(shù)微米。

PN結(jié)加正向電壓的情況工作原理——在外加電場的作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果耗盡層變窄，內(nèi)電場被削弱，這有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。多子的擴(kuò)散電流通過回路形成正向電流。耗盡層兩端的電位差變?yōu)?。一般只有零點(diǎn)幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。通常在回路中串入一個(gè)電阻用以限制電流。PN結(jié)加反向電壓的情況工作原理——在外加電場的作用下，耗盡層變寬，內(nèi)電場被加強(qiáng)，結(jié)果阻止了多子的擴(kuò)散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時(shí)少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過零點(diǎn)幾伏后，因少子的供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增加而增加，故稱為反向飽和電流。

將禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料，生長在同一晶體上，且可以做成突變的或緩變的結(jié)，這種由兩種不同的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。肖特基結(jié)是一種簡單的金屬與半導(dǎo)體的交界面，它與PN結(jié)相似，具有非線性阻抗特性（整流特性）。一、填空題：1、價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,使它躍遷到新的能級上的條件是（）、（）。2、熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中（），二是這些能態(tài)中（）。3、半導(dǎo)體對光的吸收有（）（）（）（）（）。半導(dǎo)體對光的吸收主要是（）。二、選擇題關(guān)于非平衡載流子，錯(cuò)誤的是（）A、光注入的方法可以產(chǎn)生非平衡載流子B、光電探測器主要是利用弱光注入來得到非平衡載流子的C、弱光注入是指產(chǎn)生的非平衡載流子的濃度大于熱平衡載流子（多子）的濃度D、光電探測器主要是利用強(qiáng)光注入來得到非平衡載流子的三、簡答題：

1、摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？

2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率??？

3、產(chǎn)生本征吸收的條件是什么？

四、計(jì)算題本征半導(dǎo)體材料Ge在297K下其禁帶寬度Eg=0.67(eV)，該材料制作的光電探測器的本征吸收截止波長是多少？

當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動(dòng)勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。

本世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一愛因斯坦以他在1905年發(fā)表的相對論而聞名于世，而他在1925年獲得諾貝爾獎(jiǎng)是由于他對發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)。外光電效應(yīng)——物體受到光照后向真空中發(fā)射電子的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。這種效應(yīng)多發(fā)生在金屬和金屬氧化物。光電效應(yīng)分類：內(nèi)光電效應(yīng)——物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)溢出物體外部的現(xiàn)象。這種效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

一、光電導(dǎo)效應(yīng)：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。

半導(dǎo)體無光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)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(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。1、光電導(dǎo)體的靈敏度

在一定條件下，單位照度所引起的光電流稱為靈敏度。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(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。

光電導(dǎo)體的靈敏度與電極間距的平方成反比。

光電導(dǎo)的大小與照射光的波長有密切關(guān)系。所以首先確定光譜分布，才能光電導(dǎo)來比較不同波長的光強(qiáng)。2、光電導(dǎo)的光譜分布

光電導(dǎo)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(shí)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(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)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(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。矩形脈沖光照弛豫過程圖3、光電導(dǎo)弛豫

二、光生伏特效應(yīng)：簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。當(dāng)光照均勻半導(dǎo)體一部分時(shí)，由于光生載流子的濃度梯度不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但電子和空穴的遷移率不同而導(dǎo)致兩種載流子分開，從而出現(xiàn)光生電勢，這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。⑴熱平衡態(tài)下的P-N結(jié)在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的EF；在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的部位，EC、EF、Eν之間的關(guān)系與結(jié)形成前狀態(tài)相同。2、勢壘效應(yīng)

N型、P型半導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)，EFN與EFP有一定差值。當(dāng)N型與P型兩者緊密接觸時(shí)，電子要從費(fèi)米能級高的一方向費(fèi)米能級低的一方流動(dòng)，空穴流動(dòng)的方向相反。同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向?yàn)閺腘區(qū)指向P區(qū)。在內(nèi)建電場作用下，EFN將連同整個(gè)N區(qū)能帶一起下移，EFP將連同整