最新1.1-理论基础光电检测解析幻灯片.ppt

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1、1.1-理论基础光电检测解析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1.1.1-3所示1s2s2p3s钠(1s22s22p63

2、s1)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。（a)本征半导体[纯净的半导体]温度升高时，价带中的更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

3、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

4、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

5、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

6、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与被阴极所吸收的光通量ΦK成正比。即IK=SKΦK式中SK为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去十分简单，但却非常重要。因为它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。2、光电发射第二定律发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即

7、光电子发射的能量关系符合爱因斯坦光电效应方程：式中h为普朗克恒量v为入射光频率；me为光电子的质量；vmax为出射光电子的最大速率；　为光电阴极的逸出功。3、光电发射第三定律当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限vo，就不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的红限（频率）为：4、光电发射的瞬时性光电发射的延迟时间不超过3×10-13s。光电效应器件具有很高的频响。根据光量子理论，每个电子的逸出都是由于吸收了一个光子能量的结果，而且一个光子的全部能量都由辐

8、射转变成光电子的能量。因此，光线愈强，也就是作用于阴极表面的量子数愈多，这样就会有较多的电子从阴极表面逸出。同时，入射光线的频率愈高，阴极材料中处于最高能量的电子在取得这个能量并克服势垒作用逸出界面之后，其具有的动能也较大。（1）光电导效应：固体受光照而改变其电