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1、第一章光电检测技术基础本讲稿第一页，共一百零一页光电检测技术第一章第一章光电检测技术基础光电检测技术基础第二章第二章 光电检测器件光电检测器件 第三章第三章 热电检测器件热电检测器件第五章第五章 光电成像器件光电成像器件第四章第四章 发光与耦合器件发光与耦合器件第七章第七章 光电检测器件的电路设计光电检测器件的电路设计 第六章第六章 显示器件显示器件本讲稿第二页，共一百零一页3本章着重介绍三个主要内容：一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系；二、半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论；三、光电效应,如半导体光电导效应和光电发射等。这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础，对于正
2、确理解和掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。第一章第一章光电检测技术基础光电检测技术基础本讲稿第三页，共一百零一页1-1光谱与光子能量光谱与光子能量1-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)1-3半导体基础知识半导体基础知识1-4光电效应光电效应第一章第一章光电检测技术基础光电检测技术基础本讲稿第四页，共一百零一页1-1光谱与光子能量光谱与光子能量一、光的主要性质二、电磁波谱与光谱三、光电检测的理论依据本讲稿第五页，共一百零一页6光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1.1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。证
3、明了光在传播时表现出波动性。一、光的主要性质：2.1900年普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射表现为光的发射、吸收、色散、散射3.1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。本讲稿第六页，共一百零一页7 麦克斯韦麦克斯韦 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的
4、又一次大综合。这一自然科学的理论成果，奠定了现代的电力工业、电子工业的基础。1873年出版的电学和磁学论一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著作。（1831-1879）本讲稿第七页，共一百零一页8 麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程，麦克斯韦方程组的微分形式是E电场强度 B磁场强度 c真空中的光速t时间 J电流密度
5、 电荷密度curl旋度 div散度（1831-1879）第一个方程表示磁场对位移电流密度（或电场的时间变化率）和传导电流密度（或电荷的运动速度）的依赖关系。第二个方程是法拉第感应定律。第三个方程表明除电源外，没有其它磁场源。第四个方程相当于库仑定律。本讲稿第八页，共一百零一页9 在第一个方程中，项麦克斯韦称 为位移电流，这是他在理论上的一个重大发现，也是他建立麦克斯韦方程组的关键。麦克斯韦方程组表明:空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成
6、了连续不断的电磁振荡相激发就形成了连续不断的电磁振荡,即电磁波。即电磁波。麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质的电电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，和磁的性质而变化，这个速度可表示为：介质的磁导率，介电常数或电容率由此式可证明电磁波在真空中传播的速度，等于光在电磁波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。真空中传播的速度。这不是偶然的巧合，是由于光和电光和电磁波在本质上是相同的磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。（1831-1879）本讲稿第九页，共一百零一页10（1858-1947）1 1、引入了著名的普朗克常数、引入了著名的普朗克
7、常数h h。对对黑黑体体辐辐射射的的研研究究发发现现了了热热物物体体辐辐射射强强度度正正比比于于它它的的绝绝对对温温度度，而而反反比比于于这这个个发发射射光光线线波波长长的的平平方：方：()()(8h(8h2 2/c/c3 3)(1/e(1/eh/KTh/KT-1)-1)其其中中引引入入了了一一个个常常数数h h，后后来来被被称称为为普普朗朗克克常常数数。19001900年年1010月月1919日日他他在在德德国国物物理理学学会会上上报报告告了了自自己己的的成成果，普朗克公式被认为是正确的普遍公式。果，普朗克公式被认为是正确的普遍公式。普普朗朗克克认认为为这这个个公公式式必必能能从从某某些些理
8、理论论中中推推导导出出来来，经经典典物物理理学学的的所所有有理理论论和和方方法法他他都都试试过过了了，但但都都失失败败了了。他他从从失失败败中中认认识识到到这这个个公公式式不不能能单单纯纯从从经经典典理论中推导出来。理论中推导出来。普普 朗朗 克克本讲稿第十页，共一百零一页11（1858-1947）2 2、提出了能量子假说。、提出了能量子假说。能能量量子子假假说说的的提提出出，给给经经典典物物理理学学打打开开了了一一个个缺缺口口，为为量量子子物物理理学学安安放放了了一一块块奠奠基基石石，宣宣告告量量子子物物理理学学的的诞诞生生。普普朗朗克克在在做做出出量量子子假假说说时时已已年年过过四四十十。
9、他他受受过过严严格格的的经经典典物物理理学学训训练练，对对经经典典物物理理学学十十分分熟熟悉悉和和热热爱爱。他他不不愿愿意意同同经经典典物物理理学学决决裂裂，只只是是迫迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。19001900年年1212月月1414日日普普朗朗克克在在德德国国物物理理学学会会上上报报告告了了自自己己的的研研究究结结果果，他他的的公公式式受受到到欢欢迎迎，但但他他的的能能量量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。普普 朗朗 克克本讲稿第十一页，共一百零一页12（1858-1947）3 3、
10、能量子假说。、能量子假说。黑黑体体是是由由许许多多振振子子组组成成的的，振振子子的的能能量量不不可可以以连连续续地地变变化化，当当它它吸吸收收和和辐辐射射频频率率为为的的电电磁磁波波时时只只能能是是一一份份一一份份地地进进行行，每每份份能能量量为为：E Ehh，每每个个振振子子的的能能量量是这个基本能量单元的整数倍。是这个基本能量单元的整数倍。他他根根据据这这个个假假设设从从理理论论上上推推导导出出了了普普朗克公式。朗克公式。普普 朗朗 克克本讲稿第十二页，共一百零一页13（1879-1955）普普朗朗克克的的量量子子假假说说提提出出后后的的几几年年内内，并并未未引引起起人人们们的的兴兴趣趣，
11、爱爱因因斯斯坦坦却却看看到到了了它它的的重重要要性性。他他赞赞成成能能量量子子假假说说，并并从从中中得得到到了了重重要要启启示示：在在现现有有的的物物理理理理论论中中，物物体体是是由由一一个个一一个个原原子子组组成成的的，是是不不连连续续的的，而而光光（电电磁磁波波）却却是是连连续续的的。在在原原子子的的不不连连续续性性和和光光波波的的连连续续性性之之间间有有深深刻刻的的矛矛盾盾。为为了了解解释释光光电电效效应应，19051905年年爱爱因因斯斯坦坦在在普普朗朗克克能能量量子子假假说说的的基础上提出了光量子假说。基础上提出了光量子假说。爱爱因因斯斯坦坦大大胆胆假假设设：光光和和原原子子电电子子
12、一一样样也也具具有有粒粒子子性性，光光就就是是以以光光速速C C运运动动着着的的粒粒子子流流，他他把把这这种种粒粒子子叫叫光光量量子子。同同普普朗朗克克的的能能量量子子一一样样，每每个个光光量量子子的的能能量量也也是是E Ehh，根根据据相相对对论论的的质质能能关关系系式式，每每个光子的动量为个光子的动量为 p pE/cE/ch/h/列列别别捷捷夫夫（.l866l86619111911）的的光压实验证实了光的动量和能量的关系式。光压实验证实了光的动量和能量的关系式。爱因斯坦爱因斯坦本讲稿第十三页，共一百零一页14（1879-1955）实实验验：微微弱弱的的紫紫光光能能从从金金属属表表面面打打出
13、出电电子子，而而很很强强的的红红光光却却不不能能从从金金属属表表面面打打这这个个现现象象用用光光的的波波动动说说是是解解释释不不了了的的。因因为为光光的的波波动动说说认认为为光光是是一一种种波波，它它的的能能量量是是连连续续的的，和和光光波波的的振振幅幅即即强强度度有有关关，而而和和光光的的频频率率即即颜颜色色无无关关，如如果果微微弱弱的的紫紫光光能能从从金金属属表表面面打打出出电电子子来来，则则很很强强的的红红光光应应更更能能打打出电子来，而事实却与此相反。出电子来，而事实却与此相反。爱因斯坦爱因斯坦本讲稿第十四页，共一百零一页15（1879-1955）实实验验：微微弱弱的的紫紫光光能能从从
14、金金属属表表面面打打出出电电子子，而而很很强强的的红红光光却却不不能能从从金金属属表表面面打打出出 按按照照光光量量子子假假说说，光光是是由由光光量量子子组组成成的的，光光的的能能量量是是不不连连续续的的，每每个个光光量量子子的的能能量量要要达达到到一一定定数数值值才才能能克克服服电电子子的的逸逸出出功功，从从金金属属表表面面打打出出电电子子来来。微微弱弱的的紫紫光光虽虽然然数数目目比比较较少少，但但是是每每个个光光量量子子的的能能量量却却足足够够大大，所所以以能能从从金金属属表表面面打打出出电电子子来来；很很强强的的红红光光，光光量量子子的的数数目目虽虽然然很很多多，但但每每个个光光量量子子
15、的的能能量量不不够够大大，不不足足以以克克服服电电子子的的逸出动，所以不能打出电子来。逸出动，所以不能打出电子来。19251925年因此获得诺贝尔物理学奖年因此获得诺贝尔物理学奖爱因斯坦爱因斯坦本讲稿第十五页，共一百零一页16光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1.1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。证明了光在传播时表现出波动性。一、光的主要性质：2.1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射表现为光的发射、吸收、色散、散射3.1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中
16、，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。本讲稿第十六页，共一百零一页17电磁波磁波谱及光及光谱图二、电磁波谱与光谱：太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间.THz,一百万兆Hz本讲稿第十七页，共一百零一页18电磁波磁波谱及光及光谱图1.电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。二、电磁波谱与光谱：2.光电检测技术只涉及光学区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。3.使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。本讲稿第十八页，共一百零一页191.上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光
17、子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。三、光电检测的理论依据：2.光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。光子能量公式：光子动量公式：h：普郎克常数本讲稿第十九页，共一百零一页1-1光谱与光子能量光谱与光子能量一、光的主要性质二、电磁波谱与光谱三、光电检测的理论依据本讲稿第二十页，共一百零一页211-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表常用辐射量和光度量一览表常用
18、光谱辐射量一览表常用光谱辐射量一览表辐通量的光谱分布辐通量的光谱分布接收器的光谱响应接收器的光谱响应V()称为视见函数称为视见函数本讲稿第二十一页，共一百零一页22光电系统光电系统光能的传递和接收系统。辐辐射射一种能的形式。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。1-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，规定用下标v和e表示。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标光能的强弱是否能使接收
19、器感受，这是光电系统一个很重要的指标光度学光度学研究对可见光的能量的计算方法学。它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算方法学。主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。本讲稿第二十二页，共一百零一页231-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)名 称符号定义单位辐射能光能量 QeQv 以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。焦耳(J)流明秒(lm s)辐射能通量 光通量 e v 以辐射形式发射、传播或接收的功率。发光强度为v的光源，在立体角元d内的辐通量，dv=v d。
20、瓦特(W)流明(lm)辐射出射度 光出射度e v 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。瓦每平方米(W m-2)流明每平方米(lm m-2)辐射照度 光照度 e Ev 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。瓦每平方米(W m-2)勒克斯(lx)常用辐射量和光度量一览表常用辐射量和光度量一览表本讲稿第二十三页，共一百零一页241-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表常用辐射量和光度量一览表(续前续前)名 称符号定义单位辐射强
21、度 发光强度 e v 在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为5401012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度e=1/683W sr-1时，规定为1cd。瓦每球面度(W sr-1)坎德拉(cd)辐射亮度 光亮度 Le Lv表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。瓦每球面度平 方米(W sr-1 m-2)坎德拉每平方米(cd m-2)曝光量H 光照度对时间的积分。勒克斯秒(lx
22、 s)本讲稿第二十四页，共一百零一页251-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)常用光谱辐射量一览表本讲稿第二十五页，共一百零一页261-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)辐通量的光通量的光谱分布分布辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。辐通量的光通量的光谱分布曲分布曲线本讲稿第二十六页，共一百零一页271-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)如图，给定波长0处极小波长间隔d
23、内的辐通量de称为单色辐通量。e=de/d，e称为光谱辐通量。单色辐通量的积分为：此式中e称为多色辐通量。此式中e称为（全色）辐通量。辐通量的光通量的光谱分布曲分布曲线本讲稿第二十七页，共一百零一页281-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)接收器的光接收器的光谱响响应1、许多接收器所能感受的波长是有选择性的。2、接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。3、对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即 K()=v/e 由于人眼在频率为
24、5401012Hz(m=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K()最大，记以Km，Km=683lmW-1。4、对于某给定波长下的Km，定义光谱光视效率V()为 V()=K()/Km 本讲稿第二十八页，共一百零一页291-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)V()又称又称为视见函数函数根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列于下图：光谱光视效率光谱光视效率V()曲线曲线1.图中中实线为在在视场较亮亮时测得的，称得的，称为明明视觉V()曲曲线；2.虚虚线为在在视场较暗暗时测得得的，称的，称为暗暗视觉V()曲曲线。3.对于暗于
25、暗视觉，m=507nm，Km=683lmW-1。4.所有光度所有光度计量均以明量均以明视觉的的K()为基基础。本讲稿第二十九页，共一百零一页301-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表常用辐射量和光度量一览表常用光谱辐射量一览表常用光谱辐射量一览表辐通量的光谱分布辐通量的光谱分布接收器的光接收器的光谱响响应V()称为视见函数称为视见函数本讲稿第三十页，共一百零一页1-1光谱与光子能量光谱与光子能量1-2光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)1-3半半导体基体基础知知识1-4光电效应光
26、电效应本讲稿第三十一页，共一百零一页1-3半半导体基体基础知知识能能带理理论热平衡平衡态下的下的载流子流子非非平衡平衡态下的下的载流子流子载流子流子的运动的运动半半导体体对光的吸收光的吸收本讲稿第三十二页，共一百零一页能能带理理论1原子能原子能级2晶体能晶体能带晶晶体体本征半本征半导体体杂质半半导体体P型型半半导体体N型型半半导体体本讲稿第三十三页，共一百零一页341-3半半导体基体基础知知识能能带理理论1原子能原子能级能级（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在
27、表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。本讲稿第三十四页，共一百零一页351-3半半导体基体基础知知识能能带理理论2晶体能晶体能带能带（EnegyBand）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有51022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。本讲稿第三十五页
28、，共一百零一页361-3半半导体基体基础知知识能能带理理论电子共有化，能子共有化，能级扩展展为能能带示意示意图a)单个原子b)N个原子原子原子能带的表示方法能带的表示方法本讲稿第三十六页，共一百零一页371-3半半导体基体基础知知识能能带理理论不同材料的能带表示不同材料的能带表示a)绝缘体体b)半半导体体c)金属金属电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-610-3cm。本讲稿第三十七页，共一百零一页381-3半半导体基体基础知知识能能带理理论晶晶体体1、现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体。2、晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。3、晶体分为
29、单晶与多晶：晶晶体体实物物图单晶在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。本讲稿第三十八页，共一百零一页391-3半半导体基体基础知知识能能带理理论晶体构造示意晶体构造示意图(a)金刚石结构（Ge、Si晶体）(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）本讲稿第三十九页，共一百零一页401-3半半导体基体基础知知识能能带理理论本征半本征半导体体1、结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。2、本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni。3
30、、ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。4、室温下硅的ni约为1010/cm3。本讲稿第四十页，共一百零一页411-3半半导体基体基础知知识能能带理理论杂质半半导体体1、半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。2、杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。3、在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。本讲稿第四十一页，共一百零一页421-3半半导体基体基础知知识能能带理理论N型型半半导体体1、在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。2、在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电
31、子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。3、易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。4、N型半导体由施主控制材料导电性。本讲稿第四十二页，共一百零一页431-3半半导体基体基础知知识能能带理理论N型型半半导体体1、在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。2、在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上
32、电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。3、易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。4、N型半导体由施主控制材料导电性。本讲稿第四十三页，共一百零一页441-3半半导体基体基础知知识能能带理理论P型型半半导体体1、在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子
33、外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。3、容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。4、P型半导体由受主控制材料导电性。本讲稿第四十四页，共一百零一页451-3半半导体基体基础知知识能能带理理论P型型半半导体体1、在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子
34、，而在硅晶体中出现空穴。3、容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。4、P型半导体由受主控制材料导电性。本讲稿第四十五页，共一百零一页461-3半半导体基体基础知知识能能带理理论N型半型半导体与体与P型半型半导体的比体的比较半导体所掺杂质多数载流子(多子)少数载流子(少子)特性N型施主杂质电子空穴电子浓度nn空穴浓度pnP型受主杂质空穴电子电子浓度np空穴浓度pp本讲稿第四十六页，共一百零一页47能能带理理论N型半型半导体与体与P型半型半导体的比体的比较杂质硅的原子硅的原子图象和能象和能带图a)N型半
35、导体b)P型半导体1-3半半导体基体基础知知识本讲稿第四十七页，共一百零一页481-3半半导体基体基础知知识能能带理理论掺杂对半半导体体导电性能的影响性能的影响的理论解释的理论解释半半导体中不同的体中不同的掺杂或缺陷都能在禁或缺陷都能在禁带中中产生生附加的能附加的能级，价，价带中的中的电子若先子若先跃迁到迁到这些能些能级上上然后再然后再跃迁到迁到导带中去，要比中去，要比电子直接从价子直接从价带跃迁迁到到导带容易得多。因此容易得多。因此虽然只有少量然只有少量杂质，却会明，却会明显地改地改变导带中的中的电子和价子和价带中的空穴数目，从而中的空穴数目，从而显著地影响半著地影响半导体的体的电导率。率。
36、本讲稿第四十八页，共一百零一页1-3半半导体基体基础知知识能能带理理论热平衡平衡态下的下的载流子流子非非平衡平衡态下的下的载流子流子载流子流子的运动的运动半半导体体对光的吸收光的吸收本讲稿第四十九页，共一百零一页501-3半半导体基体基础知知识热平衡平衡态下的下的载流子流子热平衡状平衡状态1、在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激激发产生的。2、电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。3、在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。4、在一定温度下，激发和
37、复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。本讲稿第五十页，共一百零一页511-3半半导体基体基础知知识热平衡平衡态下的下的载流子流子热平衡状平衡状态时的载流子浓度时的载流子浓度热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：1、在能带中能态（或能级）的分布。2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。本讲稿第五十一页，共一百零一页521-3半半导体基体基础知知识热平衡平衡态下的下的载流子流子能能态分布分布规律律1、根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。2、在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即：f(E)：费米
38、分布函数，能量E的概率分布函数k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度EF：费米能级本讲稿第五十二页，共一百零一页531-3半半导体基体基础知知识热平衡平衡态下的下的载流子流子能能态分布分布规律律中的几个结论中的几个结论1、EF为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。2、当E=EF时，f(E)=1/2，它并不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。3、在量子统计中EF应视为固体中电子的化学势。常温下EF随材料掺杂程度而变化。费米米-狄拉克函数曲狄拉克函数曲线本讲稿第五十三页，共一百零一页541-3半半导体基体基础知知识热平衡平衡态下的下
39、的载流子流子电子占据的概率子占据的概率的能带表述的能带表述以以EF来定性表示两能来定性表示两能带中中载流子的流子的浓度度a)重掺杂P型b)轻掺杂P型c)本征型d)轻掺杂N型e)重掺杂N型本讲稿第五十四页，共一百零一页1-3半半导体基体基础知知识能能带理理论热平衡平衡态下的下的载流子流子非非平衡平衡态下的下的载流子流子载流子流子的运动的运动半半导体体对光的吸收光的吸收本讲稿第五十五页，共一百零一页56非平衡非平衡载流子流子的概念的概念1、半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非热平衡态。2、载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为
40、非平衡载流子。电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。本讲稿第五十六页，共一百零一页57非平衡非平衡载流子流子的概念的概念产生生使非平衡载流子浓度增加的运动产生率单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目复合使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合复合率单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目非平衡载流子寿命非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直采用光激发方式的光生载流子
41、寿命与光电转换的效果有直接关系。接关系。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。本讲稿第五十七页，共一百零一页58以以N型半型半导体体为例，例，说明说明在非平衡状在非平衡状态下下载流子流子浓度度nn：N型半导体中多数载流子电子的浓度pn：N型半导体中少数载流子空穴的浓度nn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度pn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度nn：非平衡载流子电子的浓度pn：非平衡载流子空穴的浓度nnnn0+nnpnpn0+pnnnpn本讲稿第五十八页，共一百零一页59以以N型半型半导体体为例，例，说明说明在非平衡状在非平衡状态下下载流子流子浓度度光注入分光注入分为强光注入与弱光
42、注入光注入与弱光注入满足nnpnnn0pn0ni2nn0nn0pn0ni2nn0nnpn条件的注入称为弱光注入弱光注入。对于弱光注入于弱光注入有：有：nn=nn0+nnnn0pn=pn0+pnpn本讲稿第五十九页，共一百零一页60以以N型半型半导体体为例，例，说明说明在非平衡状在非平衡状态下下载流子流子浓度度例如：一N型硅片，室温下，nn0=5.51015cm-3，pn0=3.5104cm-3；弱光注入下，n=p=1010cm-3，此时非平衡载流子浓度nn=nn0+nn=1015+10101015cm-3pn=pn0+pn=104+10101010cm-3受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导
43、体受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为。光电器件对光的响应都是少子行为。本讲稿第六十页，共一百零一页61复合机制复合机制直接复合直接复合导带中中电子直接跳回到价子直接跳回到价带，与价，与价带中的空穴复合。中的空穴复合。间接复合接复合通通过复合中心复合复合中心复合。复合中心复合中心禁禁带中中杂质及缺陷。及缺陷。电子俘子俘获电子从子从导带落入到复合中心称落入到复合中心称电子俘子俘获。空穴俘获空穴俘获电子从复合中心落入价带称空穴俘获。电子从复合中心落入价带称空穴俘获。电子发射电子发射电子从复合中心被激发到导带称电子发射。电子从复合中心被激发到导带称电子发射。空穴发射
44、空穴发射电子从价带被激发到复合中心电子从价带被激发到复合中心1电子俘获2空穴俘获3电子发射4空穴发射本讲稿第六十一页，共一百零一页62表面复合：材料表面在研磨、抛光表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出会出现许多缺多缺陷与陷与损伤，从而，从而产生大量复合中心。生大量复合中心。发生于半生于半导体体表面的复合表面的复合过程称程称为表面复合。表面复合。本讲稿第六十二页，共一百零一页63光注入过程的光注入过程的机制机制1、在光照过程中，产生与复合同时存在。2、在恒定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合率也随非平衡载流子的增加而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。3、当光照停止，光致产生率为零，系统稳
45、定态遭到破坏，复合率大于产生率，使非平衡载流子浓度逐渐减少，复合率随之下降，直至复合率等于热致的产生率时，非平衡载流子浓度将为零，系统恢复热平衡状态。本讲稿第六十三页，共一百零一页1-3半半导体基体基础知知识能能带理理论热平衡平衡态下的下的载流子流子非非平衡平衡态下的下的载流子流子载流子流子的运动的运动半半导体体对光的吸收光的吸收本讲稿第六十四页，共一百零一页651-3半半导体基体基础知知识载流子流子的运动的运动载流子流子运动的概念运动的概念1、电子在晶体中的运动与气体分子的热运动类似。2、当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。3、一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引
46、起载流子净位移，从而也就没有电流。4、漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。本讲稿第六十五页，共一百零一页661-3半半导体基体基础知知识载流子流子的运动的运动载流子漂移流子漂移1、载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。2、在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿,半导体会偏离欧姆定律。3、在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。4、讨论漂移运动的重要参量：迁移率（电子迁移率n，空穴迁移率p），的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。本讲稿第六十六页，共一百零一页671-3半半导体基体基础知知识载流子流子的运动的运动载流子流子扩散散1
47、、载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。2、光注入时，光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。3、受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。本讲稿第六十七页，共一百零一页681-3半半导体基体基础知知识载流子流子的运动的运动载流子漂移流子漂移与扩散的并存与扩散的并存1、在半导体既受光照，又外加电场时，扩散与漂移同时存在。2、扩散系数D（D表示扩散的难易）与迁移率（表示迁移的快慢）之间有爱因斯坦关系式：D=(kT/q)kT/q室温下为0.026V，D与成正比。3、电子与空穴沿x轴扩散，
48、但DnDp，故它们引起的扩散流不能抵消。在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献。4、在扩散时，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。本讲稿第六十八页，共一百零一页1-3半半导体基体基础知知识能能带理理论热平衡平衡态下的下的载流子流子非非平衡平衡态下的下的载流子流子载流子流子的运动的运动半半导体体对光的吸收光的吸收本讲稿第六十九页，共一百零一页70半半导体体对光的吸收光的吸收半半导体光体光电器件的工作基础电器件的工作基础1、半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。2、光垂直入射到半导体表面时，进
49、入到半导体内的光强遵照吸吸收定律收定律：Ix=I0(1-r)e-xIx：距离表面x处的光强I0：入射光强r：材料表面的反射率：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关光垂直入射于半光垂直入射于半导体表面体表面时发生反射与吸收生反射与吸收本讲稿第七十页，共一百零一页711-3半半导体基体基础知知识半半导体体对光的吸收光的吸收半半导体体的的光本征吸收光本征吸收1、半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。2、产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hEg从而有0Eg/h0h/Eg=1.24meV/
50、Egh：普朗克常数c：光速0：材料的频率阈值0：材料的波长阈值本讲稿第七十一页，共一百零一页721-3半半导体基体基础知知识半半导体体对光的吸收光的吸收几种重要半几种重要半导体材料的波体材料的波长阈值材料温度/KEg/eV/m材料温度/K Eg/eV/mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1Gap3002.240.55PbS2950.432.9本讲稿第七十二页，共一百零一页731-3半半导体基体基础知知识半半导体体对光的吸收光的吸收半半导体体的的光光非非本征吸收本征吸收非本征吸收包括杂质吸收吸收、自由自