理论基础光电检测ppt课件.ppt

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1、第一章　光电信息技术物理基础理论基础光学基础电路基础能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。图1.1.1-2原子的能级和结晶格中的能带之比较1.1.1能带理论§1.1理论基础（1）按照原子理论，原子中的电子只占据某些能级——孤立原子（2）结晶格中，电子能在某些整个能带（见图1.1.1-2）内运动，每一能带是与一个原子的能级相关联的。（3）泡利不相容原理限制能占有某个原子能级的电子数，同样这原理也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。（4）导体内的能带以金属钠(Z=11)为例。如图1.1

2、.1-3所示1s2s2p3s钠(1s22s22p63s1)晶体能带满带半满带空带3p图1.1.1-3导体内的能带与1s、2s和2p原子能级对应的能带:完全填满;但3s能带:仅有一半被填充。在外界电场的作用下，价带内的最上面的电子获得额外的少许能量到能带内附近许多空的状态去,形成电流。结论：具有如图1.1.1-3所示那样能带结构的物质应为良导体，换句话说，良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。实际上由于最高能带可能发生重叠，所以情况稍复杂一些，事实上对大多数金属或导体而言最上层的能带相重叠

3、是很普通的情形（图1.1.1-4）。有一些物质，它们的原子具有满充壳层，但在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，它们成为导体；人们常称这些物质为半金属（如镁Mg，Z=12）。图1.1.1-4导体中能带的重叠镁(1s22s22p63s2)晶体能带3s电子可分布在3s和3p能带中1s2s2p3s满带未满带未满带3p能带重叠例外:有一些物质，最上面的满带和一个空带重叠，也可成为导体；人们常称这些物质为半金属(如镁Z=12）。（图1.1.1-4）。（5）绝缘体能带物质中的最高能带即价带是满的，而且与下一

4、个全空的能带并且有较大能隙(见图1.1.1-5)，一个外加的电场无法使价带中的电子加速，因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。1s2s2p3s价带(满)导带(空)3p绝缘体能带能隙较大图1.1.1-5绝缘体(6）半导体内的能带以硅和锗为例，价带与导带之间的能隙比其它要小得多(在硅中为1.1eV，在锗中为0.7eV)，于是要将价带中最上面的电子激发到导带内时就容易得多了。图1.1.1-6中示出这种情况。图1.1.1-6半导体内的能带共价键载流子（a)本征半导体[纯净的半导体]温度升高时，价带中的更

5、多电子被激发到导带。含两种载流子:导带中的激发电子、价带中空穴。显然，电导率随温度而迅速增加。例如，在硅中，当温度从250K增加到450K时，激发电子的数目增加106倍。半导体的价带和导带之间的能隙较小（约为1eV或更小），因而比较容易用加热方法把电子从价带中激发到导带中。(b)n型半导体用另一种物质的原子(在此情况下，这些原子构成杂质)，取代半导体的一些原子，并且这些杂质原子比半导体的原子具有较多的电子。例如，把若干磷或砷原子加进硅或锗中，则每有一个杂质原子，就有一个额外电子。这些额外的电子占有恰在

6、导带下方的某些分立的能级(图1.1.1-7a)。这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带，对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；这种半导体叫做n型半导体。图1.1.1-7半导体中的杂质：(a)施主，或n型（c)p型半导体与n型半导体相反，杂质原子(如硼、铝)，这两种原子都只贡献3个电子。在这种情况下，杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶(图1.1.1-7b)。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空穴。这种杂质原子叫做受主，这种半导

7、体叫做p型半导体。价带(满)导带(空)能隙较小杂质能级++++图1.1.1-7半导体中的杂质：(b)受主，或p型为了使半导体的电导率产生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了。半导体在工业上广泛地用于制作整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集成电路等等。半导体的导电能力受光照、温度和掺杂的影响而发生显著的变化。半导体技术为微电子技术，乃至整个信息技术的发展打开了一扇大门，是20世纪四大技术（原子能、计算机、半导体、激光器）之一。J.巴丁研究半导体并发明晶体管1956诺

8、贝尔物理学奖W.H.布拉顿研究半导体并发明晶体管1956诺贝尔物理学奖W.肖克莱研究半导体并发明晶体管1956诺贝尔物理学奖物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应，这种现象多发生于金属和金属氧化物中。在光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的。§1.1.2光电发射效应（外光电效应）光电发射效应的几个主要基本定律和性质：1、光电发射第一定律当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与