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1、第一节第一节光辐射度量与光度量光辐射度量与光度量第二节第二节半导体物理基础半导体物理基础第三节第三节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 光光辐辐射射：通通常常把把对对应应于于真真空空中中的的波波长长在在0.380.38微微米米到到0.780.78微微米米范范围围内内的的电电磁磁辐辐射射称称为为光光辐辐射射。广广义义地地讲讲，X X射线、紫外辐射、可见光和红外辐射都可以叫光辐射。射线、紫外辐射、可见光和红外辐射都可以叫光辐射。光光源源：发发出出光光辐辐射射的的物物体体叫叫光光源源。光光电电技技术术中中的的光光源可分为源可分为自然光源自然光源和和人造光源人造光源两类。两
2、类。第一节、光辐射度量与光度量第一节、光辐射度量与光度量 另一类是生理的，叫作另一类是生理的，叫作光度学量光度学量，是描述光，是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接度，即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接受到辐射量的度量受到辐射量的度量。在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类:一类是物理的，叫作一类是物理的，叫作辐射度学量辐射度学量，是用能量单，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；位描述光辐射能的客观物理量；1、辐辐射射能能Qe：辐辐射射
3、能能是是一一种种以以电电磁磁波波的的形形式式发发射射、传传播播或或接接收收的的能能量量，单单位位为为J J(焦焦耳耳)。当当辐辐射射能能被被物物质质吸吸收收时时，可可以以转转换换成成其其它它形形式式的的能能量量，如如热热能能、电电能能等等。当当物物质质吸吸收收了了强强度度调调制制的的辐辐射射能后，可以以检测热波、声波等形式的能量来研究物质的性质。能后，可以以检测热波、声波等形式的能量来研究物质的性质。2、辐射能密度辐射能密度we:光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度。射能密度。3、辐射通量辐射通量e：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间辐射通量又称辐
4、射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦变化率，单位为瓦(1(1W=1W=1J J/s)/s)，是单位时间内发射、是单位时间内发射、传播或接收传播或接收的辐射能。的辐射能。4 4、辐射强度辐射强度 Ie：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为Wsr(瓦每球面度瓦每球面度)，5 5、辐射亮度辐射亮度 Le：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为面元在垂直于该方向的平面上的
5、正投影面积。单位为(瓦每球面度瓦每球面度平方米平方米)。6 6、辐射出射度辐射出射度M Me e：辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度（辐射发射度或辐射能力），称为辐射出射度（辐射发射度或辐射能力），de 是扩展源表面是扩展源表面dA在在各方向上各方向上(通常为半空间立体角通常为半空间立体角)所发出的总的辐射通量，单位所发出的总的辐射通量，单位为瓦为瓦/米米2 2(瓦每平方米瓦每平方米)。7 7、辐射照度辐射照度Ee：辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，辐射照度为投射在单位面积上的辐射通量，单位为单位为(瓦每平方米瓦每平方米)。dA是投射辐射
6、通量的面积元。是投射辐射通量的面积元。辐射照度和辐射出射度的单位相同，其辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。的辐射特性。对于理想的散射面，有对于理想的散射面，有Ee=Me 光谱辐射度量光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量：光谱辐射度量也叫辐射量的的光谱密度光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各多不同波长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的
7、单色种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射度光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。量是单位波长间隔内的辐射度量。1 1、光谱辐射通量光谱辐射通量 ：光源发出的光在每单位波长间隔内的光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量，也称光谱密度或单色辐射通量。单位为辐射通量，也称光谱密度或单色辐射通量。单位为(瓦每微米瓦每微米)或或 (瓦每纳米瓦每纳米)。在波长在波长处的光谱辐射通量为处的光谱辐射通量为在整个光谱内，总的辐射通量为在整个光谱内，总的辐射通量为 3 3、光谱辐射强度光谱辐射强度I ：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐光源发出
8、的光在每单位波长间隔内的辐射强度。射强度。2 2、光谱辐射出射度光谱辐射出射度M：光源发出的光在每单位波长间隔内光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出射度。的辐射出射度。4 4、光谱辐射亮度光谱辐射亮度L：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度。射亮度。5 5、光谱辐射照度光谱辐射照度E ：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射照度。射照度。由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果由于大部分光源是作为照明用的，而且照明的效果最终是以人眼来评定的最终是以人眼来评定的 ，因此照明光源的光学特性必须，因此照明光源的光学特性必须用
9、基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。相同而波长不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。光度量只在光谱的光度量只在光谱的可见波段可见波段可见波段可见波段(380-780(380-780nm)nm)才有意义。才有意义。辐射度量辐射度量符号符号单位单位光度量光度量符号符号单位单位辐射能辐射能QeJ光量光量Qlm.s辐射通量辐射通量 eW光通量光通量lm（流明流明）辐射辐射强度强度IeW/sr发光强度发光强度Icd（
10、坎德拉坎德拉）=lm/sr辐射辐射照度照度EeW/m2光照度光照度Elx(勒克斯勒克斯)=lm/m2辐射出射度辐射出射度MeW/m2光出射度光出射度Mlm/m2辐射亮度辐射亮度LeW/sr.m2光亮度光亮度Lcd/m2 光度量中最基本的单位是发光强度单位光度量中最基本的单位是发光强度单位坎德拉坎德拉(Candela)，记作记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是发出频率为其定义是发出频率为5401012Hz(对应在空气中对应在空气中555nm波长波长)的的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1683Wsr-1时，在该
11、时，在该方向上的发光强度为方向上的发光强度为l lcd。光通量的单位是光通量的单位是流明流明(lm)，它是发光强度为它是发光强度为l lcdcd的均匀点的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量。光源在单位立体角内发出的光通量。光照度的单位是光照度的单位是勒克斯勒克斯(lx)，它相当于它相当于lm的光通量均匀地的光通量均匀地照在照在1m2面积上所产生的光照度。面积上所产生的光照度。人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的，一般情况人眼对各种波长的光的感光灵敏度是不一样的，一般情况下，对下，对绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度较差绿光最灵敏，对红光灵敏度
12、较差。视见函数：视见函数：国际照明委员会国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均平均平均平均相对灵敏度相对灵敏度相对灵敏度相对灵敏度，称为，称为“标准光度观察者标准光度观察者”的光谱光视效率的光谱光视效率V(),(),或或称视见函数。称视见函数。1 1、光通量光通量 ：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。例：若在波长例：若在波长到到d间隔之内的光源辐射通量为间隔之内的光源辐射通量为e，d 。则则光通量为光通量为 Km为辐射度量与光度
13、量之间的比例系数，单位为流明为辐射度量与光度量之间的比例系数，单位为流明/瓦，瓦，Km683lm/W，它它表示在波长为表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效处，即人眼光谱光视效率最大率最大（V()=1）处处,与与1 1w w的辐射能通量相当的光通量为的辐射能通量相当的光通量为683lm；换句话，此时换句话，此时1 1lm相当于相当于1/683W 2 2、发光强度发光强度I：光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光光源在给定方向上，单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度。通量，称为光源在该方向上的发光强度。3 3、光出射度光出射度M：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通光
14、源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度。量，称为光源在该点的光出射度。4 4、光照度光照度E：被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量，称为该点的光照度。称为该点的光照度。用用点点光光源源照照明明时时，被被照照面面的的照照度度E与与光光源源的的发发光光强强度度I成成正比，而与被照面到光源的距离正比，而与被照面到光源的距离l的平方成反比。的平方成反比。原原因因：立立体体角角内内点点光光源源发发出出的的辐辐射射通通量量不不随随传传输输距距离离而而变变化化，辐辐射射照照度度与与面面积积成成反反比比，面面积积与与距距离离的的平平方方成
15、成正正比比，所以所以辐射照度和该点到点光源的距离平方成反比。辐射照度和该点到点光源的距离平方成反比。如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角为为，则：则：对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比，其中与光照度成正比，其中为漫反射率，它小于为漫反射率，它小于1，它与表，它与表面的性质无关。面的性质无关。5 5、光亮度光亮度L：光源表面一点处的面元光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强在给定方向上的发光强度度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的与该面元在垂直于给定方向的平面
16、上的正投影面积之比，称为正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。光源在该方向上的亮度。为为给定方向与面元法线间的夹角。给定方向与面元法线间的夹角。6 6、光量光量Q：光通量光通量对时间的积分，称为光量。对时间的积分，称为光量。一、填空题：一、填空题：一、填空题：一、填空题：1、通通常常把把对对应应于于真真空空中中波波长长在在（0.38m）到到（0.78m）范范围内的电磁辐射称为光辐射。围内的电磁辐射称为光辐射。2、在在光光学学中中，用用来来定定量量地地描描述述辐辐射射能能强强度度的的量量有有两两类类，一一类类是（是（辐射度学量辐射度学量），另一类是（），另一类是（光度学量光度学量）。）。3、
17、光具有波粒二象性，既是（光具有波粒二象性，既是（电磁波电磁波），又是（），又是（光子流光子流）。）。光的传播过程中主要表现为（光的传播过程中主要表现为（波动性波动性），但当光与物质之间），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性粒子性）。）。二、概念题：二、概念题：二、概念题：二、概念题：视见函数、辐射通量、辐射亮度、辐射强度视见函数、辐射通量、辐射亮度、辐射强度三、简答题：三、简答题：三、简答题：三、简答题：1、辐射度量与光度量的根本区别是什么？辐射度量与光度量的根本区别是什么？2、辐射照度和辐射出射度的区别是什么？辐射照度和辐射出射度的区别
18、是什么？四、计算及证明题：四、计算及证明题：四、计算及证明题：四、计算及证明题：1 1、证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距、证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距1010倍的相倍的相同探测器上的照度相差多少倍？同探测器上的照度相差多少倍？物体按导电能力分：物体按导电能力分：导体、绝缘体导体、绝缘体和和半导体半导体。做光电。做光电器件的主要材料为半导体，电阻率在器件的主要材料为半导体，电阻率在106103cm范围之内的物质称为导体；电阻率大于范围之内的物质称为导体；电阻率大于1012cm以上以上的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体。的物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半
19、导体。第二节、半导体物理基础第二节、半导体物理基础 半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的变化非常敏感。变化非常敏感。半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。十分显著的变化。半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。外界作用的影响而发生非常重要的变化。能级能级：在孤立原子中，原子核外的电子绕原子核在孤立原子中，原子核外的电子绕原子核运动，它们具有完全确定的能量，这种稳定的运动运动，它们具有完全确定的能量，这种稳定
20、的运动状态称为状态称为量子态量子态。每一量子态所取的确定能量称为。每一量子态所取的确定能量称为能级能级。介于各能级之间的量子态是不存在的。介于各能级之间的量子态是不存在的。“轨道轨道”：电子出现几率电子出现几率最高的部分区域。最高的部分区域。泡利不相容原理泡利不相容原理：在一个原子或原子组成的系统中，在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个相同的电子同属于一个量子态，即在每一个能不能有两个相同的电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。电子首先级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。电子首先填满最低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。填满最低能级，而
21、后依次向上填，直到所有电子填完为止。能带能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再近，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，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。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
22、扩展为的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带能带。禁带禁带：晶体中允许被电子占据的能带称为晶体中允许被电子占据的能带称为允许带允许带，允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带禁带。被电子占。被电子占满的允许带称为满的允许带称为满带满带，每一个能级上都没有电子的能带称为，每一个能级上都没有电子的能带称为空空带带。价带价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为对应的能带称为价带价带。导带导带：价带以上能量最低的允许带称为价带以上能量最低的允许带称为导带。导带。允许带允许带（导
23、带）（导带）允许带允许带（价带）（价带）允许带允许带（满带）（满带）禁带禁带禁带禁带导带的底能级表示为导带的底能级表示为Ec（或或E-），价带的顶能级表示为价带的顶能级表示为Ev（或或E+），Ec与与Ev之间的能量间隔称为禁带之间的能量间隔称为禁带Eg。导带导带价带价带禁带禁带 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为来实现的，这种电流的载体称为载流子载流子。导体中的载流子是自由电。导体中的载流子是自由电子，子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电
24、的空穴。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a)a)绝缘体绝缘体 b)b)半导体半导体 c)c)金属金属半导体两端加电压后半导体两端加电压后:如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，如果价带中填满了电子而没有空能级，在外电场的作用下，又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电又没有足够的能量跃迁到导带，那么价带中的电子是不导电的。的。价带价带导带导带禁带禁带(满带满带)如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则如果价带中的电子在外界作用下，能够跃迁到导带中，则价带中留空位，邻近能级上的电子在电场作用下可以跃入这些价带中留空位，邻近能级上的电子在
25、电场作用下可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子空位，而在这些电子原来的能级上就出现空位。这样有些电子在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。在原来热运动上迭加定向运动而形成电流。价带价带导带导带禁带禁带由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，由于导带中存在大量的空能级，所以在外电场的作用下，导带电子能够得到足够的能量跃迁到空的能级上，形成电流，导带电子能够得到足够的能量跃迁到空的能级上，形成电流，所以导带电子是可以导电的。所以导带电子是可以导电的。价带价带导带导带禁带禁带价电子的运动状态发生变化价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条使它跃迁到新
26、的能级上的条件是：件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空的的。价带价带导带导带禁带禁带 单晶单晶在一块材料中，原子全部作有在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。规则的周期排列。多晶多晶只在很小范围内原子作有规则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排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。的晶粒界隔开。现代固体电子与光电子器件大多由现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料半导体材料制备，半制备，半导体材料大多为导体材料大多为晶体晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序（晶体中原
27、子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分为单晶与多晶：排列）。晶体分为单晶与多晶：完全纯净和结构完整的半导体称为完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体本征半导体。在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有在没有外界作用和绝对零度时，本征半导体的导带中没有电子，价带中没有空穴，它是不导电的。电子，价带中没有空穴，它是不导电的。由于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子由于半导体的禁带宽度较小，所以在外界作用下，价电子可以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带可以激发跃迁到导带中，这样本征半导体的导带中有电子，价带中有空穴，本征半导体就有了导电能力。中有空穴，本征
28、半导体就有了导电能力。晶体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶体晶体总是含有缺陷和杂质的，而杂质原子上的能级和晶体其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之内。其它原子不同，所以它的位置完全可能不在晶体能带的范围之内。N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 在晶格中掺入某个硅原子被磷原子在晶格中掺入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
29、被五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价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为由电子。易释放电子的原子称为施主施主，施主束缚电子的能量状态称为施主束缚电子的能量状态称为施主能级施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带位于禁带中，较靠近材料的导带底底EC 。ED与与EC间的能量差称为间的能量差称为施主电施主电离能。离能。N N型半导体由施主控制材料导电性。型半导体由施主控制材料导电性。P P型半导体型半导体 晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼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原子的三个价电子和周围
30、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，而在硅晶体中出多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为现空穴。容易获取电子的原子称为受主受主。受。受主获取电子的能量状态称为主获取电子的能量状态称为受主能级受主能级EA ，也位于禁带中。在价带顶也位于禁带中。在价带顶EV附近，附近，EA与与EV间能量差称为间能量差称为受主电离能受主电离能。P型半导体由受
31、型半导体由受主控制材料导电性。主控制材料导电性。N N型半导体与型半导体与P P型半导体的比较型半导体的比较半导体半导体所掺杂质所掺杂质多数载流子多数载流子（多子）（多子）少数载流子少数载流子（少子）（少子）特性特性N型型施主杂质施主杂质电子电子空穴空穴nnpnP型型受主杂质受主杂质空穴空穴电子电子nppp掺杂对半导体导电性能的影响：掺杂对半导体导电性能的影响：半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到
32、导带容易得多。因此虽然只有少量要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。而显著地影响半导体的电导率。(a)a)本征半导体本征半导体(b)Nb)N型半导体型半导体(c)Pc)P型半导体型半导体 l在在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中一定温度下，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发产生的。电子从不断热振动的自由电子和空穴是由热激发产生的。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，形成自由的晶体中获得一定的能
33、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。在热激发同时，电子电子，同时在价带中出现自由空穴。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。在一定温度下，激发和复出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为合两种过程形成平衡，称为热平衡状态热平衡状态，此时的载流子成，此时的载流子成为为热平衡载流子热平衡载流子，它的浓度即为某一稳定值。，它的浓度即为某一稳定值。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。根据量子理论和泡利不相容原理，
34、能态分布服从费米统计分布规律。在某温度下热平衡态，能量为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的能态被电子占据的概率由费米费米-狄拉克狄拉克函数函数给出，即给出，即 l热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中一是在能带中能态（或能级）的分布能态（或能级）的分布，二是这些能态中，二是这些能态中每一个每一个能态可能被电子占据的概率能态可能被电子占据的概率。f(E)：费米分布函数，能量费米分布函数，能量E的概率函数的概率函数k：波耳兹曼常数，波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度绝对温度EF：费米能级费米能级费
35、米费米-狄拉克函数曲线狄拉克函数曲线当当E=EF时，时，f(E)=1/2当当E1/2当当EEF时，时，f(E)kT时时随着随着E的增加，的增加，f(E)迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底迅速减小，所以导带中的大部分电子的能量是在导带底EC附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶EV附近。附近。EF为表征电子占据某能级为表征电子占据某能级E的概率的的概率的“标尺标尺”，它定性表示导带中电子或价，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。常温下带中空穴的多少。常温下EF随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体随材料掺杂程度而变化。对于本征半导体 EF
36、(EC+EV)/2一般，费米能级在禁带中，一般，费米能级在禁带中，(EEF)比比kT大得多。所以半导体大得多。所以半导体的导带电子浓度的导带电子浓度n和价带空穴浓度和价带空穴浓度p分别为：分别为：N为导带的有效能级密度为导带的有效能级密度N为价带的有效能级密度为价带的有效能级密度ni称称为半导体的本征载流子浓度为半导体的本征载流子浓度对本征对本征半导体而言半导体而言n=p对于一种确定的半导体，不管它是本征半导体还是杂质对于一种确定的半导体，不管它是本征半导体还是杂质半导体，也不管掺杂的程度如何，在热平衡状态下，两种载半导体，也不管掺杂的程度如何，在热平衡状态下，两种载流子的浓度乘积必定等于一个
37、常数流子的浓度乘积必定等于一个常数本征载流子浓度的平本征载流子浓度的平方。方。a)a)重掺杂重掺杂P P型型 b)b)轻掺杂轻掺杂P P型型 c)c)本征型本征型d)d)轻掺杂轻掺杂N N型型 e)e)重掺杂重掺杂N N型型l半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温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称为非热平衡态非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为称为非平衡载流子非平衡载流子。电注入电注入：通过半导体界面把载流子
38、注入半导体，使热平衡受到破坏。：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：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：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。子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。光注入分为强光注入与弱光注入：光注入分为强光注入与弱光注入：满足满足 nnpnnn0pn0ni2nn0nnn0n0p pn0n0n ni i2 2 n nn0n0 n nn np pn n条件的注入称为条件的注入称为弱光注入弱光注入。对于弱光注入对于弱光注入 n nn n=n=nn0n0+n n
39、n nnnn0n0 p pn n=p=pn0n0+p pn np pn n此时受影响最大的是少子浓度此时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可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为少子行为。例如：一。例如：一N N型硅片，室温下，型硅片，室温下，n nn0n0=5.510=5.5101515cmcm-3-3，p pn0n0=3.510=3.5104 4cmcm-3-3；弱光注入下，弱光注入下，n=p=10n=p=101010cmcm-3-3，此时非平衡载流子浓度此时非平衡载流子浓度n nn n=n=nn0n0+n nn n=10=101515+10+101010
40、10101515cmcm-3 3p pn n=p=pn0n0+p pn n=10=104 4+10+10101010101010cmcm-3-3 使非平衡载流子浓度增加的运动称为使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生产生，单位时间、，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率产生率G G。使非平衡载流子浓度减少的运动称为使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合复合，单位时，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率复合率R R。在光照过程中，产生与复合同时存在在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒定持续光照下，在
41、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。当光照停止，而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。当光照停止，光产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大于产生率，光产生率为零，系统稳定态遭到破坏，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。复热平衡状态。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命：非平
42、衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它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，表征复合的强弱，小表示复合快，小表示复合快，大表示复合慢。它决定了光电器件的时大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，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接关系。间特性，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接关系。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。复合复合是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。通过复合中心复合通过复合中心
43、复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获电子俘获；电子从复合中；电子从复合中心落入价带称心落入价带称空穴俘获空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称；电子从复合中心被激发到导带称电子发射电子发射；电子；电子从价带被激发到复合中心称从价带被激发到复合中心称空穴发射空穴发射。表面复合表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合
44、。量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。直接复合直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能度为零。一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。使载流子产生净位移，从而形成电流。载流子因浓度不均匀而发生的从浓载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向
45、浓度低的点运动。度高的点向浓度低的点运动。图为光注入，非平衡载流图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离离开表面距离x x的增大而减小，因的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿此非平衡载流子就要沿x x方向从表方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。重新达到均匀分布。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极方向运
46、动称为漂移漂移。在强电场作用在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体会下，由于饱和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律偏离欧姆定律。在弱电场作用在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律服从欧姆定律。半导体晶格原子和杂质离子在晶格点阵附近作热运动，而载流子半导体晶格原子和杂质离子在晶格点阵附近作热运动，而载流子则在晶格间作不规则的热运动，并在运动过程中不断与原子和杂质则在晶格间作不规则的热运动，并在运动过程中不断与原子和杂质离子发生碰撞，从而改变其运动速度的大小和方向，这种现象成为离子发生碰撞，从而改变其运动速度的大小和方向，这种现象成为散射散射。在在N N型半导体
47、中，漂移所引起的电流密度为：型半导体中，漂移所引起的电流密度为：j电流密度电流密度;n为载流子密度；为载流子密度；q为电子电荷；为电子电荷；为载流子平均漂移速度为载流子平均漂移速度欧姆定律的微分形式为：欧姆定律的微分形式为：有一定的电场强度，就有一定的电流密度，因而也就有一定的平有一定的电场强度，就有一定的电流密度，因而也就有一定的平均漂移速度。因此电场强度与平均漂移速度有关系。均漂移速度。因此电场强度与平均漂移速度有关系。迁移率表示载流子在单位电场作用下所取得的漂移速度。迁移率表示载流子在单位电场作用下所取得的漂移速度。在电场中电子所获得的加速度为在电场中电子所获得的加速度为在漂移运动中，因
48、电子与晶格碰撞发生散射，故每次碰撞后在漂移运动中，因电子与晶格碰撞发生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如两次碰撞之间的平均时间为漂移速度降到零。如两次碰撞之间的平均时间为f ，则经则经f 后载流子的平均漂移速度为后载流子的平均漂移速度为 迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于迁移率与载流子的有效质量和平均自由时间有关。由于空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的有效质量比电子的有效质量大，所以空穴的迁移率比空穴的迁移率比电子的迁移率小电子的迁移率小。由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的吸收称为称为本征吸收本征吸收。物体受光
49、照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，物体受光照射，一部分被物体反射，一部分被物体吸收，其余的光透过物体。其余的光透过物体。半导体材料吸收光子能量转换成电能是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。光电器件的工作基础。产生本征吸收的条件产生本征吸收的条件：入射光子的能量入射光子的能量入射光子的能量入射光子的能量（hh）至少要等于至少要等于至少要等于至少要等于材料的禁带宽度材料的禁带宽度材料的禁带宽度材料的禁带宽度。即即 杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为跃迁到导带（空穴跃迁
50、到价带），这种吸收称为杂质吸收杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由自由载流子吸收载流子吸收，表现为红外吸收。，表现为红外吸收。价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相