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1、光电检测辐射度与光度量第1页，本讲稿共109页 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380nm380nm到到780nm780nm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射射线线、紫紫外外辐辐射射、可可见光和红外辐射都可以叫光辐射。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源可分为可分为自然光源自然光源和和人造光源人造光源两类。两类。第2页，本讲稿共109页第3页，本讲稿共109页 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，是描述光辐射能是
2、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度，即光度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受到辐射量的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。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，是用能量单位是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；描述光辐射能的客观物理量；第4页，本讲稿共109页 1 1、辐辐射射能能Qe：辐辐射射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，单位为单位为J
3、J(焦耳焦耳)。2 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射能光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度。密度。第5页，本讲稿共109页 3 3、辐射通量辐射通量e：又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单：又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦位为瓦 (1W=1(1W=1J J/s)/s)，是单位时间内发射、，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。传播或接收的辐射能。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，在单位时间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，单位为内、给定方向上单位立体
4、角内所辐射出的能量，单位为W Wsr(sr(瓦每球面度瓦每球面度)，第6页，本讲稿共109页 5 5、辐射亮度辐射亮度 L Le e：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂：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。单位为直于该方向的平面上的正投影面积。单位为 (瓦每球面度平方米瓦每球面度平方米)。第7页，本讲稿共109页 6 6、辐射出射度辐射出射度MMe e：辐射体在单位面积内所辐射的通量辐射体在单位面积内所辐射的通量，d de 是是扩展源表面扩展源表面dAdA在各方向上在各方向上(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，所发
5、出的总的辐射通量，单位为瓦单位为瓦/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：投射在单位面积上的辐射通量投射在单位面积上的辐射通量，单位为，单位为 (瓦每平瓦每平方米方米)。dA是投射辐射通量的面积元。是投射辐射通量的面积元。第8页，本讲稿共109页 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区别仅在于前者是描述辐射接收面辐射接收面所接收的辐所接收的辐射特性，而后者则为描述射特性，而后者则为描述扩展辐射源扩展辐射源向外发射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第9页，本讲稿共10
6、9页 光谱辐射度量光谱辐射度量：光谱辐射度量也叫辐射量的：光谱辐射度量也叫辐射量的光谱密度光谱密度。辐射源所辐射的能量往往由许多不同波。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，为了研究各种波长的辐射通长的单色辐射所组成，为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。的定义。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。度量。第10页，本讲稿共109页 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辐射通量，：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量，也称光谱
7、密度或单色辐射通量。单位为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，总的辐射通量为第11页，本讲稿共109页 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射强度。：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射强度。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的辐射：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出射度。出射度。第12页，本讲稿共109页 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射亮度
8、。：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度。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射：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射照度。照度。第13页，本讲稿共109页1 1、关于辐射度量，正确的是（、关于辐射度量，正确的是（）A、Ee是描述扩展辐射源向外发射的辐射特性是描述扩展辐射源向外发射的辐射特性B、Ie为从一个点光源发出的，给定方向上单位立体角内所为从一个点光源发出的，给定方向上单位立体角内所 辐射出的辐射能辐射出的辐射能C、对于理想的散射面，有对于理想的散射面，有Ee=MeD、e是辐射能的时间变化率是辐射能的时间变化率 第14页，本讲稿共109页在任何条件下
9、，完全吸收任何波长的外来辐射而无在任何条件下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体。吸收系数为任何反射的物体。吸收系数为1 1 。对于各种波长的电磁波的吸收系数为常数且与波对于各种波长的电磁波的吸收系数为常数且与波长无关的物体，其吸收系数介于长无关的物体，其吸收系数介于0 0与与1 1之间的物体。之间的物体。2 2、什么是黑体？、什么是黑体？3 3、什么是灰体？、什么是灰体？第15页，本讲稿共109页 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人眼来评定的 ，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的，因此照明光
10、源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参数量即光度量来描述。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。光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。能量相同而波长能量相同而波长不同的光不同的光，对人眼引起的视觉强度是不相同的。，对人眼引起的视觉强度是不相同的。第16页，本讲稿共109页 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(380nm-780nm)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符号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）辐射强度辐射强度IeW/sr发光强度发光
11、强度Icd（坎德拉坎德拉）=lm/sr辐射照度辐射照度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第17页，本讲稿共109页 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，记作，记作cd，它，它是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是是国际单位制中七个基本单位之一。其定义是555nm555nm波长的单色辐射，波长的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为在给定方向上的辐射强度为1683Wsr-1时，在该方向上的发光强度时，在该方向上的
12、发光强度为为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lcd的均匀点光源在的均匀点光源在单位立体角内发出的光通量。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的光通量均匀地照在的光通量均匀地照在1m1m2 2面积面积上所产生的光照度。上所产生的光照度。第18页，本讲稿共109页 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，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，对红光灵敏度较差
13、。视见函数：视见函数：国际照明委员会（国际照明委员会（CIECIE）根据对许多人的大量观察结果，）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用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度平均相对灵敏度平均相对灵敏度平均相对灵敏度，称，称为为“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(),或称视见函数。或称视见函数。第19页，本讲稿共109页 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
14、通量为 Km为辐射度量与光度量之间的比例系数，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，它表示在波长为它表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大处，即人眼光谱光视效率最大（V()=1）处）处,与与1w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；换句话，此时时1lm相当于相当于1/683W第20页，本讲稿共109页 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通量，：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。称为光源在该方向上的发光强度。3 3、光出射度光出
15、射度M：光源表面给定点处单位面积内所发出的光通量，称：光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。为光源在该点的光出射度。第21页，本讲稿共109页 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，称为该点：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。的光照度。第22页，本讲稿共109页 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成成正正比比，而而与与被被照照面面到到光光源源的的距距离离l的的平平方方成成反比。反比。第23页，本讲稿共109页第24页，本讲稿共109页如果被照面不垂直于光线
16、方向，而法线与光线的夹角为如果被照面不垂直于光线方向，而法线与光线的夹角为，则：则：对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与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，它与表面的性，它与表面的性质无关。质无关。第25页，本讲稿共109页 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度在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。该方向上的亮度。为给
17、定方向与面元法线间的夹角。为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。第26页，本讲稿共109页1 1、关于光度量，正确的是（、关于光度量，正确的是（）A A、辐射辐射通量的单位为通量的单位为勒克斯勒克斯 B B、发光强度的单位为坎德拉发光强度的单位为坎德拉 C C、光、光通量的单位为流明通量的单位为流明 D D、光照度的单位为坎德拉、光照度的单位为坎德拉 第27页，本讲稿共109页2、国际单位制中7个基本单位有哪些？热力学温度（开尔文）物质的量 （摩尔）发光强度 （坎德拉）长度 （米）质量 （千克）时间 （秒）电流 （安培）
18、第28页，本讲稿共109页 明视觉：锥状细胞只对亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，其敏感的光谱范围为可见光，在555纳米处最为敏感，而且能分辨颜色。这种视觉功能称为明视觉或锥体细胞视觉；暗视觉：亮度低于10-3cd/m2的时，杆状细胞起作用。其敏感的光谱范围为0.33微米0.73微米，在507纳米处最为敏感，不能分辨颜色。这种视觉功能称为暗视觉或夜间视觉；第29页，本讲稿共109页对于明视觉，刺激程度平衡条件为：对于明视觉，刺激程度平衡条件为：其中：其中：Km为为555555纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。光度参量光度参量辐射度参量辐射度参量第30页
19、，本讲稿共109页对于暗视觉，刺激程度平衡条件为：对于暗视觉，刺激程度平衡条件为：光度参量光度参量辐射度参量辐射度参量其中：其中：为为507507纳米处的光度量对辐射度量的转纳米处的光度量对辐射度量的转换常数。换常数。第31页，本讲稿共109页一、填空题：一、填空题：一、填空题：一、填空题：1 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（）到到（）范范围围内内的的电电磁磁辐辐射称为光辐射。射称为光辐射。2 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（），另一类是（），另一类是（）。）。3 3、光具有波粒二象性，既是（、光具
20、有波粒二象性，既是（），又是（），又是（）。光的传播过程中）。光的传播过程中主要表现为（主要表现为（），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（出光的（）。）。第32页，本讲稿共109页二、简答题：二、简答题：二、简答题：二、简答题：1 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 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是什么？三、证明题：三、证明题：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倍的相同探测器上的倍的相同探测器上的照
21、度相差多少倍？照度相差多少倍？第33页，本讲稿共109页四、计算题：四、计算题：四、计算题：四、计算题：已知某激光器的输出功率为已知某激光器的输出功率为3mW3mW，波长视见函数为，波长视见函数为0.240.24，试计算其发，试计算其发出的光通量。出的光通量。第34页，本讲稿共109页 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10106 610103 3cmcm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10101212cm cm 以上的以上的物质称为绝缘
22、体；介于它们之间的物质称为半导体。物质称为绝缘体；介于它们之间的物质称为半导体。第35页，本讲稿共109页 半导体的电阻温度系数一般是负的。它对温度的变化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。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、磁等外界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。作用的影响而发生非常重要的变化。第36页，本讲稿共109页能级能级：在孤立原子中，原子核外的电子绕原子核运动，：在孤立原子中，原子核外的电子
23、绕原子核运动，它们具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为它们具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子量子态态。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。介于各能级之间的量子态是不存在的。之间的量子态是不存在的。第37页，本讲稿共109页“轨道轨道”：电子出现几率最高：电子出现几率最高的部分区域。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，不能有两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，即在每一个能级中，最多只能容纳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
24、电子。电子首先填满最低能级，而后依次向上填，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。直到所有电子填完为止。第38页，本讲稿共109页能带能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使：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局限于某个原子上，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，这种现象称为的原子壳层上去，这种现象
25、称为电子的共有化电子的共有化。从而使本来处于同一能。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能带。第39页，本讲稿共109页 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，允许带之间，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带禁带。被电子占满的允许带称。被电子占满的允许带称为为满带满带，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带空带。价带价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能
26、带：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价带。称为价带。导带导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。价带以上能量最低的允许带称为导带。第40页，本讲稿共109页允许带允许带（导带）（导带）允许带允许带（价带）（价带）允许带允许带（满带）（满带）禁带禁带禁带禁带第41页，本讲稿共109页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第42页，本讲稿共109页 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）来实现导
27、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子，。导体中的载流子是自由电子，半导体中的半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。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)金属金属第43页，本讲稿共109页 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
28、导电的。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。价带价带导带导带禁带禁带(满带满带)第44页，本讲稿共109页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空位，而在留空位，邻近能级上的电子在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。这样有些电子在原来热运动上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。迭加定向运动而形成电流。价带价带导带导带禁带禁带第45页，本讲稿共109页由于导带中存在大量的空能级，所以
29、在外电场的作用下，导带电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，所以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。子是可以导电的。价带价带导带导带禁带禁带第46页，本讲稿共109页 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件是：使它跃迁到新的能级上的条件是：能给电子提供足够能量的外界作用、电子跃入的能级是空的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。价带价带导带导带禁带禁带第47页，本讲稿共109页1 1、关于能带理论，正确的是（）、关于能带理论，正确
30、的是（）A A、价带是允许带、价带是允许带 B B、导带是满带导带是满带 C C、禁带是允许带、禁带是允许带 D D、导带是、导带是允许带允许带 2 2、关于半导体，错误的是（）、关于半导体，错误的是（）A A、电阻温度系数一般是正的、电阻温度系数一般是正的 B B、导电性能不受微量杂质的影响、导电性能不受微量杂质的影响 C C、对温度的变化非常敏感、对温度的变化非常敏感 D D、导电性受热、光、电、磁等外界作用的影响、导电性受热、光、电、磁等外界作用的影响 第48页，本讲稿共109页3 3、关于物体导电能力，正确的是（）、关于物体导电能力，正确的是（）A A、物体导带上的电子越多，其导电能力
31、越强。、物体导带上的电子越多，其导电能力越强。B B、物体导带上的电子越少，其导电能力越强。、物体导带上的电子越少，其导电能力越强。C C、物体价带上的电子越多，其导电能力越强。物体价带上的电子越多，其导电能力越强。D D、物体价带上的电子越少，其导电能力越强。、物体价带上的电子越少，其导电能力越强。第49页，本讲稿共109页 单晶单晶在一块材料中，原子全部作有规则的周期在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。排列。多晶多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，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。形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。现代固
32、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，半导体材料大制备，半导体材料大多为多为晶体晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）。晶体分为单晶与多晶：为单晶与多晶：第50页，本讲稿共109页 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电子，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。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，价电子可以激发由
33、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，价带中有空穴，本征跃迁到导带中，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。半导体就有了导电能力。第51页，本讲稿共109页 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。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型半导体型半导体第52页，本讲稿共109页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所替代，
34、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的四价原子形成共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电子所受束缚力小得多，容易被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。五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为易释放电子的原子称为施主施主，施主束缚电子的能，施主束缚电子的能量状态称为量状态称为施主能级施主能级E ED D。E ED D位于禁带中，较靠近材位于禁带中，较靠近材料的导带底料的导带底E EC C 。
35、E ED D与与E EC C间的能量差称为间的能量差称为施主电离能。施主电离能。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。第53页，本讲稿共109页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，硼原子的三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，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，而在硅晶体中
36、出现空外层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穴。容易获取电子的原子称为受主受主。受主获取电子。受主获取电子的能量状态称为的能量状态称为受主能级受主能级E EA A ，也位于禁带中。在价带，也位于禁带中。在价带顶顶E EV V附近，附近，E EA A与与E EV V间能量差称为间能量差称为受主电离能受主电离能。P P型半导型半导体由受主控制材料导电性。体由受主控制材料导电性。第54页，本讲稿共109页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
37、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，价带中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，要比电子直接从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导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导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，从而显著地影响半导体的电导率。带中的电子和价带中的空穴
38、数目，从而显著地影响半导体的电导率。第55页，本讲稿共109页(a)(a)本征半导体本征半导体(b)N(b)N型半导体型半导体(c)P(c)P型半导体型半导体第56页，本讲稿共109页 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电在一定温度下，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发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一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，形成自由电子，同时在价带中出定的能量，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。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低现自由空穴。在热激发同时，电子
39、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，激发和复合两种过程形成平衡，称为定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态热平衡状态，此，此时的载流子成为时的载流子成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。第57页，本讲稿共109页 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，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 E的能态被电子占据的概率由的能态被电子占据
40、的概率由费米费米-狄拉克函数狄拉克函数给给出，即出，即 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：一是在能带中能能态（或能级）的分布态（或能级）的分布，二是这些能态中，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据每一个能态可能被电子占据的概率的概率。f(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度EF：费米能级(绝对零度时的电子的最高能级)第58页，本讲稿共109页费米费米-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
41、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。附近。同样价带中空穴的绝大部分都在价带顶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带中，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。常温下空穴的多少。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(EC+EV)/2第60页，本讲稿共109页 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
42、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称为半导体的本征载流子浓度称为半导体的本征载流子浓度对本征半导体而言对本征半导体而言n=p第61页，本讲稿共109页 对于一种确定的半导体，不管它是本征半导体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，两种载流子的浓度乘积必定等于一个常数状态下，两种载流子的浓度乘积必定等于一个常数本征载流子浓度的平方。本征载流子浓度的平
43、方。第62页，本讲稿共109页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型型第63页，本讲稿共109页半导体的费米能级图如下图所示，以下表述中正确的是（）A、（1）是本征半导体（2）是N型半导体（3）是P型半导体B、（1）是本征半导体（2）是P型半导体（3）是N型半导体C、（1）是N型半导体（2）是P型半导体（3）是本征半导体D、（1）是P型半导体（2）是N型半导体（3）是本征半导体第64页，本讲稿共109页 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，半导体在外界条件有变化（如
44、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非热平衡态。载流。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的子浓度对于热平衡状态时浓度的增量增量称为称为非平衡载流子非平衡载流子。第65页，本讲稿共109页 电注入电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。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：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
45、空穴。下等量的空穴。产生非平衡载流子的方法产生非平衡载流子的方法第66页，本讲稿共109页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 nnpnnn0pn0ni2nn0nn0pn0ni2nn0nnpn 条件的注入称为条件的注入称为弱光注入弱光注入。第67页，本讲稿共109页对于弱光注入对于弱光注入 n nn n=n=nn0n0+n+nn nnnn0n0 p pn n=p=pn0n0+p+pn nppn 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可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为应都是少子行为。例如：一例如：一N
46、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；弱弱光注入下光注入下，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nn=nn0+nn=5.51015+10105.51015cm-3pn=pn0+pn=3.5104+10101010cm-3第68页，本讲稿共109页 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、单位体，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为积内增加的电子空穴对数目称为产生率产生率G
47、 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，单位时间、单位，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为体积内减少的电子空穴对数目称为复合率复合率R R。第69页，本讲稿共109页 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，在恒定持续光照下产生率，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，光产生率为零，系统稳定者相等，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，
48、使非平衡载流子浓度逐渐减少，复态遭到破坏，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。将为零，系统恢复热平衡状态。第70页，本讲稿共109页非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命（1 1）非平衡载流子从产生到复合之前的平均存非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。在时间。（2 2）当非平衡载流子的浓度衰减到原来的当非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e1/e所需的时间。所需的时间。（3 3）它表征非平衡载流子的复合的快慢，它表征非平衡载流子的复合的
49、快慢，小表示复合快，小表示复合快，大表大表示复合慢。示复合慢。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。的能量。第71页，本讲稿共109页复合种类 通过复合中心复合通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包：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；电子从复合中心落入价带；电子从复合中心落入价带称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
50、子发射；电子从价带被激发到复合中；电子从价带被激发到复合中心称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，从而产生大量复合中心。发：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。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。第72页，本讲稿共109页 当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定当没有外加电场时，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向速度为