1、第一章 光电器件的物理基础 本章着重介绍两个主要内容本章着重介绍两个主要内容 （1 1）辐射量和光度量）辐射量和光度量的定义及它们之间的的定义及它们之间的换算关系；换算关系；（2 2）半导体光电器件的物理基础（包括能）半导体光电器件的物理基础（包括能带理论、带理论、PNPN结理论、半导体光电效应等）。结理论、半导体光电效应等）。1-1 光的概念与度量学中的参量一、电磁波谱与光子能量公式 电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具光电技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱有相同的辐射与吸收
2、机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。电磁波谱图 从图可见，电磁波波谱的光频段包括红外光、可见光、紫外线和软X射线部分的电磁辐射，共频率范围为31011Hz到31016Hz，或波长1mm至10nm的范围。光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。子流。1860年麦克斯韦（年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。
3、的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年普朗克（年普朗克（Max.Planck)提出了辐射的提出了辐射的量子论，量子论，1905年，爱因斯坦（年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。吸收、色散、散射。光子能量公式：光子能量公式：光子动量公式：光子动量公式：h：普朗克常数普朗克常数 上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质子能量与动量），
4、等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。（电磁波频率和波长）。光电转换一般使用固体材料（利用其量子效光电转换一般使用固体材料（利用其量子效应）。从固体能级来说，具有从应）。从固体能级来说，具有从0.1ev到几个到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。能量转换。/hphch二、辐射量与光度量光度学光度学(Photometry)(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)(Radiometry)dP现在假如有一个以这个点光源
5、为球心，半径现在假如有一个以这个点光源为球心，半径为为1m1m的球面包围这个点光源，则该球面上的的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度恰好等于辐射照度恰好等于lW/mlW/m2 2。用这样的假想球面。用这样的假想球面不难求得辐射强度为不难求得辐射强度为I Ie e在距离在距离R R处的辐射照度处的辐射照度为为这一结果表明，一个均匀点光源在空间一点这一结果表明，一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，与的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，与距离平方成反比。距离平方成反比。常用辐射量和光度量比较常用辐射量和光度量比较 常用辐射量和光度量比较常用辐射量和光度量比较（续）三、辐
6、射量与光度量的换算 辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。某辐通量的连续分布曲线1、光谱量与积分量给定波长0处极小波长间隔d内的辐通量de称为单色辐通量（图中阴影小矩形面积）。eeeedddd e 称为辐射量的光谱密集度或简称为光谱辐通量。单色辐通量的积分为210eeeedd 多色辐通量多色辐通量 全色辐通量全色辐通量 许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐
7、通量之比，即()VeK由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K()最大，记以Km，Km=683lmW-1。对于某给定波长下的Km，定义光谱光视效率V()为()()mkVKV()又称为视见函数。光谱光视效率光谱光视效率V()曲线曲线四、朗伯余弦定律q光源在任意方向上的发光强度正比于光源在任意方向上的发光强度正比于该方向与光源表面法线夹角余弦。该方向与光源表面法线夹角余弦。0cosIIq光源在各个方向上亮度相同（光源在各个方向上亮度相同（L相等）相等）q出射度出射度ML1-2 半导体基础知识 一、半导体的能带理论 1 1、原子能级与晶体能带、原子能级与晶
8、体能带 能级能级：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。能带能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原：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，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，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。从而使本来处于这种现
9、象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与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能带。此相对应的能级扩展为能带。q价带价带：原子中最外层的电子称为价电子，与：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。价电子能级相对应的能带称为价带。q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。q禁带禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被围称为禁带。
10、原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。一个能级上都没有电子的能带称为空带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。1、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。2、泡利原理：在每一个能级上最多只能填充一个电子。即N为能级数。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。3、
11、半导体晶体能带图：导带价带满带禁带E禁带gE 跟据能量最小原理，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。q满带：任何时间都填满电子数。q价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。q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。3、杂质半导体 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。杂）来控制半导体导电特性。N型半导体：型半导体：在四价原子硅（在四价原子硅（
12、Si）晶体中掺入五价原子，）晶体中掺入五价原子，例如磷（例如磷（P）或砷（）或砷（As），形成），形成N型半导体。型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原在晶格中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价键，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力要而多余一个电子，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，容易被五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。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施主，施主束易释放电子的原子称为施主，施主束缚电
13、子的能量状态称为施主能级缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位位于禁带中，较靠近材料的导带底。于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与与Ec间的能量差称为施主电离能。间的能量差称为施主电离能。N型半导体由型半导体由施主控制材料导电性。施主控制材料导电性。P型半导体型半导体：在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。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，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受主
14、。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。（a）N型半导体 （b）P型半导体虽然只有少量杂质，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。二、热平衡状态下的载流子热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。()/1()1FE EkTf Eef(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：费米能级三、当光辐射作用在半导体上时，半导体吸当
15、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。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、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、激子和晶格吸收五杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。种光吸收效应。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：0(1)xxIIr eIx-距离表面x远处的光强I0-入射光强r-材料表面的反射率-材料吸收系数，与材料、入射光波长
16、等因素有关。ghE材料温度/KEg/eV/m材料温度/KEg/eV/mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1Gap3002.240.55PbS2950.432.9几种重要半导体材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值四、非平衡状态下的载流子 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，此时系统的状态称为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。q电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。q光注入：光注入下产生非平衡载流
17、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。1、产生与复合q 使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。q 使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。以N型半导体为例，在非平衡状态下载流子浓度为：nn：N型半导体中多数载流子电子的浓度型半导体中多数载流子电子的浓度pn：N型半导体中少数载流子空穴的浓度型半导体中少数载流子空穴的浓度 nn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度光照前一定温度下热平衡时电子的浓度pn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度光照前一定温
18、度下热平衡时空穴的浓度nn：非平衡载流子电子的浓度：非平衡载流子电子的浓度pn：非平衡载流子空穴的浓度：非平衡载流子空穴的浓度00nnnnnnnnnnnpppnp 注入分为强光注入与弱光注入：满足 条件的注入称为强光注入；满足 条件的注入称为弱光注入。2000nnnninnnn pn pnnnp 2000nnnninnnn pn pnnnp 对于弱光注入 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少子行为。000nnnnnnnnnnnnpppp q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，
19、系统达到新的平衡。q当光照停止，光致产生率为零，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。2、复合与非平衡载流子寿命q 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。q非平衡载流子寿命：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，小表示复合快，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。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。五、载流子的输运 当没有外加电场时，电子作无规则当没有外加
20、电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。一定温度运动，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。引起载流子净位移，从而也就没有电流。漂移和扩散可使载流子产生净位移，漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。从而形成电流。漂移 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漂移。扩散 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。00000()()()()npnpnpe nnppe npenp 是迁移率，是电子或空穴漂移速度v与外电场E的比值。ghE01.24()g
21、ghcmEEihE01.24()iihcmEElGt2lLLtEU2UGLrnI ihEigEE杂本iE杂PNhPNLRGE表示电子表示空穴IghELRIULRpIjIIUPJIII0exp()1JIIeU kT0exp()1PIIIeUkT0ln(1)PIIk TUeIgEhDeVhgihEhE或2max12WWhcmvhEEmaxvh346.62 10J sWE0WhcE01.24()WWhcmEE探测器件热光电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管
