光电器件的物理基础

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1、光电器件的物理基础,本章着重介绍两个主要内容：一个是辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系；另一个是半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论、半导体光电导效应、光伏效应和光电发射过程等。这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础，对于正确理解和掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。,本章内容： 1-1 光谱与光子能量 1-2 辐射度学与光度学 1-3 半导体基础知识 1能带理论 2热平衡态下的载流子 3半导体对光的吸收 4非平衡态下的载流子 5载流子的输运扩散与漂移 1-4 光电效应 1光电导效应 2光伏效应 3光电发射效应,光谱与光子能量,光具有波粒二象性，既是电磁波，又是

2、光子流。,1860年麦克斯韦提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。 1900年,普朗克提出了辐射的量子论。 1905年，爱因斯坦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、吸收、色散、散射。,麦克斯韦（1831-1879） 普朗克（1858-1947） 爱因斯坦（1879-1955）,光子能量公式：= h 光子动量公式：p = h/c = h/ h：普郎克常数 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（电磁波频率和波长）。 光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来

3、说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。,辐射度学(Radiometry)与光度学(Photometry),辐射度学(Radiometry) 辐射度学是研究电磁波辐射能的一门科学。由于光是电磁波，故可采用能量为单位建立一套辐射度量来客观的衡量光辐射能。,辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量。 符号：Qe 单位 ：焦耳(J) 辐射能通量：单位时间内通过某一截面的辐射 能，又称辐射功率 。 符号：e 单位：瓦特(W),辐射出射度 ：从辐射源表面单位面积发射的辐 射通量。 符号：e 单位： (W/m2) 辐射照

4、度：投射到单位接收面积的辐射通量。 符号：e 单位： (W/m2),辐射强度：在指定方向上的单位立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率。 符号：e 单位：(W/sr),1.立体角的单位是球面度,假设以锥顶为球心,r为半径做一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积为半径平方，则该立体角为一个球面度。整个球面有4pi个球面度。 2.对于同一辐射源，在不同的方向上，辐强度可以不相同。,辐射亮度 ：表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。 符号：Le 单位： W/( srm2),一般来说，辐射源表面各处的辐射亮度即该面源各方向上的辐射亮度都是不同的。 任

5、意方向辐射亮度不变的表面称为朗伯表面。,光谱辐射量： 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。下图为某辐通量的连续分布曲线。,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。 e ()=de/d， e ()称为光谱辐通量。,对单色辐通量进行积分 此式中e称为多色辐通量。 此式中e称为全色辐通量。,相应的，对于其他辐射量，也有类似的关系： Ee ()=dEe/d Ee ()称为光谱辐照度； Me ()=dMe/d Me ()称为光谱辐出射度； Le ()=dLe/d Le ()称为光谱辐亮度；,光度学(Photometry) 光度学以人的

6、视觉习惯为基础，研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。 光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。而接受器对等能量的不同波长的光辐射所产生的响应是不同的。,光谱光视效能K() 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来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K()反映了同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比（光谱辐射通量为e() 的可见光辐射，所产生的视觉刺激值即光通量v()），即 K()=v()/e(),人眼在波长m=555nm时，K()最大，记Km

7、 = 683lmW-1， m=555nm称为峰值波长。对于某给定波长下的K() ，定义光谱光视效率V()为 V()=K()/Km V()又称为视见函数。 根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均V() 。图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉V()曲线；虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉V()曲线。对于暗视觉，m=507nm，Km=683lmW-1。所有光度计量均以明视觉的K()为基础。,光度学的基本物理量 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，在光度量符号上加下标“V”。,人眼对等量的不同波长的可见光辐射能所产生的光感觉是不同的，

8、定义光谱辐射通量为e()的可见光辐射，所产生的视觉刺激值为光通量：,Km=683lm/W,V(555)=1, 当e(555)=1W时，v（555）=683lm,对含有不同光谱的辐射通量的辐射量，它所产生的光通量为,对于其它光度量也有类似的关系。用一般的函数表示为,辐射能Qe,光通量V,半导体基础知识,能带理论,1原子能级与晶体能带： 能级（Enegy Level）：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。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。,能带

9、（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有51022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。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，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，与此相对应的能级扩展为能带。,电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子,禁带（Forbidden Band）：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。,电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子,价带（Valence Band）：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。 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。 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。,电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子,能级,a) 绝缘体,绝缘体、半导体、金属的能带图,b)

11、半导体,c) 导体,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）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。 例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率1012cm。 半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-31012cm。 金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-610-3cm。,2本征半导体与杂

12、质半导体 现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（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： 单晶在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。 多晶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。,晶体构造示意图 (a) 金刚石结构（Ge、Si晶体） (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体）,本征半导体： 结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小

13、，室温下硅的ni约为1010/cm3。,杂质半导体： 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。,N型半导体： 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。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，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，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间

14、的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。,P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。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。,N型半导体与P型半导体的比较,掺杂对半导体导电性能的影响：

15、 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。,1.一支氦氖激光器（波长632.8nm）发出激光的功率为2mw。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。 2.价带、导带、禁带的定义及它们之间的关系。施主能级和受主能级的定义及符号。,热平衡态下的载流子,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

16、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，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。 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。,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。,能级密度：导带和价带中单位体积、单位能量能级数目，用N(E)表示。由固体理论可得， 在导带内的能级密度：,在价带内的能级密度：,me * 自由电子的有效质量； mp * 自由空穴的有效质量； h 普朗克常数； Ec导带的