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1、3.5.1 光波在磁光晶体中传播光波在磁光晶体中传播3.5.2 磁光调制磁光调制3.5 磁光调制磁光调制第一页，编辑于星期六：十六点三十分。旋旋 光光1石英的旋光现象石英的旋光现象1 1）旋光现象）旋光现象冰洲石晶体冰洲石晶体无旋光现象无旋光现象3.5.1 光波在磁光介质中的传播光波在磁光介质中的传播第二页，编辑于星期六：十六点三十分。水晶有旋光现象水晶有旋光现象第三页，编辑于星期六：十六点三十分。2 2）旋光定义：）旋光定义：线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。3 3）旋光率：）旋光率：旋
2、光率。：旋光率。4 4）旋光色散：）旋光色散：，旋光率随波长变化。，旋光率随波长变化。不同颜色的线振动面透过晶体后不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同被旋转的角度不同第四页，编辑于星期六：十六点三十分。5 5）左旋和右旋晶体）左旋和右旋晶体一种结构是另一种一种结构是另一种结构的镜像反演结构的镜像反演线偏振光沿光轴通线偏振光沿光轴通过晶体后振动面一过晶体后振动面一种向左旋、另一种种向左旋、另一种向右旋。向右旋。第五页，编辑于星期六：十六点三十分。磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体(磁性物质）磁性物质）时，其传播特性
3、发生变化，这种现象称为磁光效应。时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。磁光效应包括磁光效应包括法拉第旋转法拉第旋转效应、效应、克尔克尔效应、效应、磁双折射磁双折射效应等。其中效应等。其中最主要的是最主要的是法拉第旋转效应法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度 的大小与沿光束方的大小与沿光束方向的磁场强向的磁场强H和光在介质中传播的长度和光在介质中传播的长度L之积成正比，即之积成正比，即 VHL (1)式中，V称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位
4、磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。表列出了一些磁光材料的韦尔代常数。第六页，编辑于星期六：十六点三十分。装置、光路装置、光路Faraday RotatorBrewster dielectric polarizersRotator第七页，编辑于星期六：十六点三十分。在光频波段内，令在光频波段内，令 ，几乎所有的磁光现象都可得到解释。，几乎所有的磁光现象都可得到解释。引进等效介电系数张量引进等效介电系数张量 当磁场反向时，当磁场反向时，的符号也要反号，即的符号也要反号，即:理论分析理论分析第八页，编辑于星期六：十六点三十分。假设磁场沿假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播
5、的平面波为轴方向，取磁光介质中传播的平面波为:式中式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。为光波矢的方向余弦。代入代入菲涅耳方程菲涅耳方程 由系数行列式为零，得到折射率由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程所满所足的方程:第九页，编辑于星期六：十六点三十分。假设光波在立方晶体或各向同性介质中（假设光波在立方晶体或各向同性介质中（）平行于磁化强度（）平行于磁化强度（z）方向（）方向（lx=ly=0，lz=1）传播，得）传播，得 第十页，编辑于星期六：十六点三十分。可见可见Ez=0，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为右旋和左旋的两个圆偏振光
6、波：右旋和左旋的两个圆偏振光波：代如代如菲涅耳方程菲涅耳方程 得，得，第十一页，编辑于星期六：十六点三十分。第十二页，编辑于星期六：十六点三十分。因此，沿因此，沿x方向偏振的入射光经过长度为方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个的磁光介质后将偏转一个角度角度 这就是法拉第旋转现象，这就是法拉第旋转现象，为磁致旋光率。为磁致旋光率。第十三页，编辑于星期六：十六点三十分。当磁化强度较弱，当磁化强度较弱，B与与H为线性关系，即为线性关系，即=0为常量。因而旋光率为常量。因而旋光率 与外加磁场强度在成正比与外加磁场强度在成正比,式可写成式可写成:式中式中V称为韦尔德（称为韦尔德（Verde
7、t）常数，它表示在单位磁场强度下线）常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。第十四页，编辑于星期六：十六点三十分。法拉第旋转的特殊规律法拉第旋转的特殊规律（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关第十五页，编辑于星期六：十六点三十分。（2）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。第十六页，编辑于星期六：十六点三十分。（4）法拉第旋转的用途）法拉第旋转的用途若：若：线偏振光返回后无法
8、通过第一个偏振片，线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为成为光隔离器光隔离器。则则:（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度振动面转过角度 。法拉第旋转器的应用法拉第旋转器的应用第十七页，编辑于星期六：十六点三十分。对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初相位定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢
9、量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 +c/nR和和 -c/nL传播，它们通过厚度为传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分的介质之后产生的相位延迟分别为别为:所以两圆偏振光间存在一相位差所以两圆偏振光间存在一相位差第十八页，编辑于星期六：十六点三十分。当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于入射当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于入
10、射光旋转了一个角度。光旋转了一个角度。zA表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量分解为左旋和右旋两矢量AL和和AR，假设介质的长度，假设介质的长度L使右旋矢量使右旋矢量AR刚刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由于由于vLvR)转到转到AL，于是合成的，于是合成的线偏振光线偏振光A相对于入射光的偏振方向转了一个角度相对于入射光的偏振方向转了一个角度，此值等于，此值等于 角角的一半，即的一半，即 =/2 （nR nL）L/(3)可以看出，可以看出，A的偏振方向将随着光波的传播的偏振方向将随着光波的传
11、播向右旋转。这称为向右旋转。这称为右旋光效应右旋光效应。ALARAL zAA(2)第十九页，编辑于星期六：十六点三十分。磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同之处不同之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消反而相互抵消)。但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一
12、个不可逆角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。第二十页，编辑于星期六：十六点三十分。3.4 磁光调制磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转效应磁光调制主要是应用法拉第旋转效应 使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转播时，其偏振方向发生旋转 例如：法拉第旋转器的应用第二十一页，编辑于星期六：十六点三十分。1.磁光体调制器磁光体调制器 zzHdc45 入射光入射光起偏器起偏器调制信号调制信号检偏器检偏器YI
13、G棒棒磁光调制示意图磁光调制示意图 为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。，其强度足以使晶体饱和磁化。工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。第二十二页，编辑于星期六：十六点三十分。s：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是调制磁
14、场：是调制磁场 如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。第二十三页，编辑于星期六：十六点三十分。2.磁光波导调制器磁光波导调制器 TMTETMxzy 磁光波导模式转换调制器磁光波导模式转换调制器 在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电流通过在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电流通过蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿y方向，则相邻通方向，则相邻通道中的电流沿道中的电流沿 y方向，该电流可产生方向，该电流可产生 z、z方向交替变化的磁方向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可
15、出现沿场，磁性薄膜内便可出现沿 z、z方向交替饱和磁化。方向交替饱和磁化。第二十四页，编辑于星期六：十六点三十分。蛇形磁场变化的周期为蛇形磁场变化的周期为 ：TE模和模和TM模传播常数之差。模传播常数之差。可将输入可将输入TM模的（模的（=1.52 m）52%的功率转换到的功率转换到TE模模上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般使用具有上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的高双折射的金红石棱镜，使输出的TE和和TM模分成两条光束。模分成两条光束。第二十五页，编辑于星期六：十六点三十分。Chapter 4 Chapter 4 光电探测技术光电探测
16、技术4.1光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应4.2半导体物理基础半导体物理基础4.3光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 4.4光电探测方式光电探测方式4.5光电探测器光电探测器第二十六页，编辑于星期六：十六点三十分。4.1半导体物理基础半导体物理基础一、半导体的特性电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化。导电能力和性质受外界作用发生重要的变化。第二十七页，编辑于星期六：十六点三十分。二、半导体的能带能带理论：晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。泡利原理：在每一个能级上最多只能容纳两个自旋方向相反的电
17、子。第二十八页，编辑于星期六：十六点三十分。半导体晶体能带图：导带价带满带禁带禁带第二十九页，编辑于星期六：十六点三十分。根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。n满带：任何时间都填满电子数。n价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。n导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。第三十页，编辑于星期六：十六点三十分。三、半导体的类型n1、I型半导体（本征半导体）：I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的
18、影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。第三十一页，编辑于星期六：十六点三十分。n2、N型半导体对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。由能级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。第三十二页，编辑于星期六：十六点三十分。n3、P型半导体P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，
19、价带电子跃迁到受主能级所需的电离能。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。第三十三页，编辑于星期六：十六点三十分。说明：从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n和p，则当np时，这种半导体称为P本征半导体；当np时，称为N型半导体；当np时，称为I型半导体。第三十四页，编辑于星期六：十六点三十分。四、热平衡载流子n费米-狄拉克分布函数n禁带宽度n半导体费米能级第三十五页，编辑于星期六：十六点三十分。1、本征半导体费米能级 在热平衡状态下，由于电子和空穴成对产生，导带中的电子浓度应
20、等于价带中的空穴浓度 ，其负电荷与正电荷相等，半导体是电中性的第三十六页，编辑于星期六：十六点三十分。五、非平衡载流子n非平衡载流子定义n寿命n复合n陷阱效应第三十七页，编辑于星期六：十六点三十分。六、载流子的运动n扩散运动n漂移运动n爱因斯坦关系：描述扩散运动与迁徙率的关系第三十八页，编辑于星期六：十六点三十分。七、光辐射与半导体的相互作用n当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。第三十九页，编辑于星期六
21、：十六点三十分。n本征吸收 本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。第四十页，编辑于星期六：十六点三十分。n杂质吸收 在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子电子或空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。第四十一页，编辑于星期六：十六点三十分。n载流子吸收载流子浓度很大（）时，导带中的电子和价带中的空
22、穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收n激子和晶格吸收指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。第四十二页，编辑于星期六：十六点三十分。4.2 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件探探 测测 器器的物理效应的物理效应:1.光电效应光电效应2.光热效应光热效应3.波相互作用效应波相互作用效应光辐射量光辐射量光电探测器光电探测器电量电量第四十三页，编辑于星期六：十六点三十分。1.光电效应光电效应指单个光子的性质对产
23、生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。物质在光的作用下，不经升温的大小直接影响内部电子状态的改变。物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质而直接引起物质 中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。特点：特点：对光波频率表对光波频率表现出选择性，响应速度一般比
24、较快。现出选择性，响应速度一般比较快。2.光热效应光热效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。在红原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛外波段上，材料吸收
25、率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。用于对红外线辐射的探测。3.波相互作用效应波相互作用效应激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应非线性光激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应非线性光学效应，超导量子效应。学效应，超导量子效应。第四十四页，编辑于星期六：十六点三十分。光电效应光电效应n 物物质质在光的作用下，不在光的作用下，不经经升温而直接引起物升温而直接引起物质质 中中电电子运子运动动状状态发态发生生变变化，因而化，因而产产生物生物质质的光的光电导电导效效应应、光生伏特效、光生伏特效应应和光和光电电子子发发射等射等现现象。象。n 在理解上述定在理
26、解上述定义时义时，必，必须须掌握以下三个要点掌握以下三个要点：n 原因：是原因：是辐辐射，而不是升温；射，而不是升温；n 现现象：象：电电子运子运动动状状态发态发生生变变化；化；n 结结果：果：电导电导率变化率变化、光生伏特、光、光生伏特、光电电子子发发射。射。n 简单记为简单记为：辐辐射射电电子运子运动动状状态发态发生生变变化化光光电电导导效效应应、光生伏特效、光生伏特效应应、光、光电电子子发发射。射。第四十五页，编辑于星期六：十六点三十分。光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因因n光光电电效效应应的的起起因因：在在光光的的作作用用下下，当当光光敏
27、敏物物质质中中的的电电子子直直接接吸吸收收光光子子的的能能量量足足以以克克服服原原子子核核的的束束缚缚时时，电电子子就就会会从从基基态态被被激激发发到到高高能能态态，脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。n 这这里里需需要要说说明明的的是是，如如果果光光子子不不是是直直接接与与电电子子起起作作用用，而而是是能能量量被被固固体体晶晶格格振振动动吸吸收收，引引起起固固体体的的温温度度升升高高，导导致致固固体体电电学学性性质质的的改改变变，这这种种情情况况就就不不是是光光电电效效应应，而是热电效应而是热电效应。第四十
28、六页，编辑于星期六：十六点三十分。光电效应分类光电效应分类 光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。电效应。外光电效应外光电效应 光电子发射光电子发射光电效应光电导效应光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应内光电效应光生伏特效应丹倍效
29、应丹倍效应光磁效应光磁效应第四十七页，编辑于星期六：十六点三十分。n外外光光电电效效应应，是是指指物物质质受受光光照照后后而而激激发发的的电电子子逸逸出出物物质质的的表表面面，在在外外电电场场作作用用下下形形成成真真空空中中的的光光电电子子流流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。这种效应多发生于金属和金属氧化物。n 内内光光电电效效应应,是是指指受受光光照照而而激激发发的的电电子子在在物物质质内内部部参参与与导导电电，电电子子并并不不逸逸出出光光敏敏物物质质表表面面。这这种种效效应应多多发发生生于于半半导导体体内内。内内光光电电效效应应又又可可分分为为光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效
30、应应、丹丹倍倍效效应应和和光光磁磁电电效效应应等。等。n外外光光电电效效应应和和内内光光电电效效应应的的主主要要区区别别在在于于：受受光光照照而而激激发发的的电电子子，前前者者逸逸出出物物质质表表面面形形成成光光电电子子流流，而而后者则在物质内部参与导电。后者则在物质内部参与导电。第四十八页，编辑于星期六：十六点三十分。1.光电发射效应光电发射效应A A 光电发射原理光电发射原理 n 具有能量具有能量h的光子，被物质（金属或半导体）吸的光子，被物质（金属或半导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生服物
31、质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射现象。光电发射现子流。这就是物质的光电发射现象。光电发射现象又叫做外光电效应。象又叫做外光电效应。n 可以发射电子的物质称为光电发射体。可以发射电子的物质称为光电发射体。第四十九页，编辑于星期六：十六点三十分。B 光电发射的基本定律光电发射的基本定律（1）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）发发射射体体发发射射的的光光电电子子的的最最大大动动能能，随随入入射射光光频频率率的增加而线性的增加，而与入射光的强度无关。的增加而
32、线性的增加，而与入射光的强度无关。：光电发射体的功函数：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能电子离开发射体表面时的动能 第五十页，编辑于星期六：十六点三十分。（2）斯托列托夫定律（光电发射第一定律）斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当当入入射射辐辐射射的的光光谱谱分分布布不不变变时时，入入射射辐辐射射通通量量越越大大（携携带带的的光光子子数数越越多多），激激发发电电子子逸逸出出光光电电发发射射体体表表面面的的数数量量也也越越多多，因因而而发发射射的的光光电电流流就就增增加加，所所以光电流正比于入射辐射通量。以光电流正比于入射辐射通量。第五十一页，编辑于星期六：十六点三十分。C 光电发
33、射长波限光电发射长波限 根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式 式式中中 m为为电电子子质质量量；为为电电子子逸逸出出后后的的最最大大速速度度；为为入入射射光光的的频频率率；为为普普朗朗克克常常数数，其其值值为为 ；为为光光电电发发射射体的逸出功。体的逸出功。第五十二页，编辑于星期六：十六点三十分。截止频率截止频率截止波长截止波长第五十三页，编辑于星期六：十六点三十分。2.2.光电导效应（光电导效应（1873年）年）半半导导体体材材料料受受光光照照时时，由由于于对对光光子子的的吸吸收收引引起起载载流流子子浓浓度度的的增增大大，因因而而导导致致材材料料电电导导率率增增大大（电电阻阻减小）减小）,这种现
34、象称为光电导效应。这种现象称为光电导效应。光子将在其中激发出新的载流子光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)。这。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量化量 这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子流子-光生载流子光生载流子。显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量个量 ，我们称之为，我们称之为光电导光电导。相应和杂质半导体就分。相应和杂质半导体就分别称为别称为本征光电导本征光电导和和杂质光电导杂质光电导。第五十四页，编辑于星期六：十
35、六点三十分。光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效应效应本征本征半导体半导体光电导过程第五十五页，编辑于星期六：十六点三十分。（1 1）光电导率：）光电导率：假设在辐射作用下，由于吸假设在辐射作用下，由于吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为增量分别为n及及p，则在光照稳定情况下，则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为光电导体的电导率变为第五十六页，编辑于星期六：十六点三十分。（2）本征半导体的本征半导体的光光电导电导效效应应n光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于
36、禁带宽度时，价带中的电子被激若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增加同时参加导电。从而使电导率增加。n光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是n 能够激发电子的光辐射长波限为能够激发电子的光辐射长波限为 是禁带宽度是禁带宽度第五十七页，编辑于星期六：十六点三十分。（3）杂质半导体）杂质半导体的的光光电导电导效效应应nN N型型光光电电导导体体，主主要要是
37、是光光子子激激发发施施主主能能级级中中的的电电子子跃跃迁迁到到导导带带中中去去，电电子子为为主主要要载载流流子子，增增加加了了自由电子的浓度。自由电子的浓度。nP P型型光光电电导导体体，主主要要是是光光子子激激发发价价带带中中的的电电子子跃跃迁迁到到受受主主能能级级，与与受受主主能能级级中中的的空空穴穴复复合合，而而在在价价带带中中留留有有空空穴穴，作作为为主主要要载载流流子子参参加加导导电电。增增加了空穴的浓度。加了空穴的浓度。n只只要要光光子子能能量量满满足足 就就能能激激发发出出光光生生载载流子。流子。n相应的相应的杂质光电导体的长波限为杂质光电导体的长波限为是杂质能带宽度是杂质能带宽
38、度第五十八页，编辑于星期六：十六点三十分。（4）光电导体的灵敏度）光电导体的灵敏度n灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流。灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流。n光电导体的灵敏度指光电导体的灵敏度指 一定光强下光电导的强弱。可用光电增益一定光强下光电导的强弱。可用光电增益G 表示。表示。（4）：量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数。：量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数。：光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存：光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存在时间。在时间。（5）将（将（5）代入（）代入（4）得）得第五十九页，编辑于星期六：十六点三十分。（5）光电导的弛
39、豫）光电导的弛豫n光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现象。象。n光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机迅速变化光强下，能否有
40、效工作。从光电导的机理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失过程。积累和消失过程。第六十页，编辑于星期六：十六点三十分。（6）光电导的光谱分布）光电导的光谱分布n光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的问题。问题。n对于本征半导体，当波长增加时，光电导随之增对于本征半导体，当波长增加时，光电导随之增加，经过一个最大值后，有陡峭的下降，由于不加，经过一个最大值后，有陡峭的下降，由于不存在一个明显的长波限，莫斯提出把光
41、电导的数存在一个明显的长波限，莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半处的波长定为长波限。值降到最大值一半处的波长定为长波限。n对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电子或空穴子或空穴 激发为自由的光生载流子，要求激发为自由的光生载流子，要求 而而 ，所以所以 ，由于，由于 很小，很小，很长。很长。第六十一页，编辑于星期六：十六点三十分。3.3.光生伏特效应光生伏特效应n光光生生伏伏特特效效应应是是光光照照使使不不均均匀匀半半导导体体或或均均匀匀半半导导体体中中光光生生电电子子和和空空穴穴，并并在在空空间间分分开开而而产产生生电电位位差的现象。即将光能转
42、化成电能。差的现象。即将光能转化成电能。n不不均均匀匀半半导导体体：由由于于半半导导体体对对光光的的吸吸收收，内内建建电电场场使使载载流流子子定定向向运运动动而而产产生生电电位位差差。（像像PN结结、异异质质结结、肖肖特基结）特基结）n均均匀匀半半导导体体：无无内内建建电电场场，半半导导体体对对光光的的吸吸收收后后，由由于于载载流流子子的的扩扩散散速速度度不不同同，导导致致电电荷荷分分开开，产产生生的的光光生电势。如丹倍效应和生电势。如丹倍效应和光磁电效应光磁电效应。第六十二页，编辑于星期六：十六点三十分。(1)PN结的光生伏特效应结的光生伏特效应nPNPN结受到光照时：光线足以透过结受到光照
43、时：光线足以透过P P型半导体入射到型半导体入射到PNPN结，对于结，对于能量大于材料禁带宽度能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征的光子，由于本征吸收，就吸收，就可激发出电子空穴对可激发出电子空穴对。内建内建电场电场把把N N中的中的空空穴穴拉拉向向P P区，区，把把P P中的中的电电子子拉拉向向N N区。区。大量的积累产生大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。电势差。表示电子表示空穴第六十三页，编辑于星期六：十六点三十分。n光照度越光照度越强强，光生，光生电动势电动势也就越大。也就越大。n当当PNPN结结两两端端通通过过
44、负负载载构构成成闭闭合合回回路路时时，就就会会有有电电流流沿沿着着由由经经外外电电路路到到的的方方向向流流动动。只只要要辐辐射射光光不不停停止止，这这个个电电流流就就不不会会消消失失。这这就就是是PNPN结结被被光光照照射时产生光生电动势和光电流的机理。射时产生光生电动势和光电流的机理。n注意：注意：n PN结结产产生生光光生生伏伏特特的的条条件件是是 ，与照射光的强度无关；与照射光的强度无关；n光生伏特的大小与照射光的强度成正比。光生伏特的大小与照射光的强度成正比。第六十四页，编辑于星期六：十六点三十分。开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的关系n若入射光作用下，产生光生电压为U、光生电流
45、为Ip，入射光功率为P。在PN结两端通过负载RL构成的回路及等效电路为第六十五页，编辑于星期六：十六点三十分。n在PN结两端通过负载RL构成的回路中，外电流I与光生电流Ip和PN结结电流IJ之间的关系为n由PN结电流特性知，结电流n所以n光生电压为第六十六页，编辑于星期六：十六点三十分。(2)(2)异质结的光生伏特效应异质结的光生伏特效应n同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长不同半导体材料形成的结。生长不同半导体材料形成的结。n由于两种不同半导体材料具有不同的
46、禁带宽度。只由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。只有当入射有当入射光子光子到达结区时，到达结区时，小于小于宽宽禁禁带宽带宽度度而而大于大于窄窄禁禁带宽带宽度度的光子被吸收的光子被吸收，而且吸收光子和激发光而且吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重合，生载流子的地方和结区相重合，从而从而排除了表面排除了表面载流子的复合损失，载流子的复合损失，提高了光提高了光电转换电转换效率效率，得到，得到快速响应的特性。快速响应的特性。第六十七页，编辑于星期六：十六点三十分。(3)肖特基结的光生伏特效应肖特基结的光生伏特效应n当在半导体基底上沉积一层金属形成的当在半导体基底上沉积一层金属形成的“金属半导
47、金属半导体体”接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒，接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。n在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种 是是 ，光子被半导体吸收，形成电子空穴对，在内建电场的作用，光子被半导体吸收，形成电子空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴向金属漂移；下，电子向半导体漂移，空穴向金属漂移；n另一种是另一种是 ，光子被金属吸收，激发的光，光子被金属吸收，激发的光电子向半导体移动。电子向半导体移动。第六十八页，编辑于星期六：十六点三十分。(4
48、)丹倍效应丹倍效应n由由于于光光生生载载流流子子的的扩扩散散在在光光的的传传播播方方向向产产生生电电位位差差的的现现象象称称为光电扩散效应或丹倍效应为光电扩散效应或丹倍效应。n当：用当：用 光照射均匀半导体的表面时，在近表光照射均匀半导体的表面时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。在半导体近面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，因而发生电子和空表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散运动。穴都从照射表面向半导体内部的扩散运动。n电电子子与与空空穴穴相相比比具具有有较较大大的的迁迁
49、移移率率和和扩扩散散系系数数，因因此此电电子子会会扩扩散散到到半半导导体体的的更更深深处处。在在短短期期内内导导致致被被光光照照表表面面带带正正电电，另另一一面面带带负负电电，建建立立起起光光生生电电场场。即即在在照照射射表表面面和和未未照射表面间产生一定电位差。照射表面间产生一定电位差。第六十九页，编辑于星期六：十六点三十分。(5)光磁电效应光磁电效应n放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，如果磁场的方向垂直于如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空在垂直于
50、光照方向和磁场方向的电子和空在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。对应的电动势被称为光磁电电动势。第七十页，编辑于星期六：十六点三十分。4.温差电效应温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动路中就产生电动势，称为温差电动势。势。提高测量灵敏度提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆 地磁场