半导体的光电效应
半导体光电效应的产生机理
半导体光电效应的产生机理
半导体光电效应是指当光照射到半导体材料上时，会产生电子-
空穴对，从而引起材料的电学性质发生变化的现象。
这种效应的产
生机理涉及到半导体物理学和光学的知识。
首先，当光子照射到半导体上时，光子的能量会被半导体吸收，使得半导体中的价带内的电子被激发到导带中，同时在价带中留下
一个空穴。
这样就形成了电子-空穴对。
这个过程可以用光生激发来
描述，即光子的能量被吸收后，激发了半导体中的电子。
其次，激发出的电子-空穴对会导致半导体中的载流子浓度增加，从而改变了半导体的导电性质。
这种光生电子-空穴对的产生，使得
半导体的导电性能随之发生变化，例如导电率增加、电阻率减小等。
另外，半导体光电效应还涉及到光生载流子的寿命和扩散长度
等参数。
光生载流子的寿命决定了光电效应的持续时间，而光生载
流子的扩散长度则影响了光电效应的空间分布。
总的来说，半导体光电效应的产生机理是光子能量被半导体吸收，激发出电子-空穴对，从而改变了半导体的导电性质。
这一过程
涉及到光生激发、载流子浓度变化、光生载流子的寿命和扩散长度等多个方面的因素。
深入理解半导体光电效应的产生机理对于光电器件的设计和应用具有重要意义。
光电效应对半导体器件性能的影响分析
光电效应对半导体器件性能的影响分析引言：光电效应是指在光照条件下，物质吸收光能后，产生电子束的现象。
在半导体器件中，光电效应是一项至关重要的物理现象，对其性能产生重大影响。
本文将探讨光电效应对半导体器件性能的影响，并分析其中的机制、类型和应用。
第一部分：光电效应的机制和原理光电效应是基于光子的量子行为，当光子与物质相互作用时，能量和动量的转移会导致电子的激发和发射。
光电效应的机制主要包括光吸收、电子激发和电子释放三个过程。
首先，光吸收是光电效应的起始步骤。
来自光源的光子能量可以被半导体吸收，使得物质内部的电子从基态跃迁到激发态。
接下来，电子激发是指吸收光射后，电子的能级跃迁。
在半导体中，电子激发可能会导致载流子生成以及电子和空穴的寿命延长。
最后，电子释放是指光吸收后，电子从高能级返回基态并重新辐射光子的过程。
通过这种方式，光电效应将电子能量转化为光能量。
第二部分：光电效应的类型和应用光电效应可以分为光电导效应、理研电效应和光电效应三种类型。
首先，光电导效应是指当光照射在半导体器件中时，光子能量激发了电子和空穴，形成电导效应。
这种效应常用于可见光传感器、光电导开关和光电传感器等器件中。
其次，理研电效应是指光照射后产生电场效应。
在半导体器件中，由于光激发电荷分离，会形成一个电场，从而影响器件的电学性能。
例如，太阳能电池就是通过理研电效应将光能转化为电能的。
最后，光电效应是指光子激发了光电子，将光能转化为电能。
这种效应广泛应用于半导体光电器件，如光电二极管、光电晶体管和光电场效应等。
第三部分：光电效应对半导体器件性能的影响光电效应对半导体器件性能产生了多重影响。
首先，光电效应可以增加半导体器件的灵敏度和响应速度。
当光照射到器件表面时，光子的能量可以激发更多的载流子，并加速其移动速度。
这样一来，器件可以提高其信号检测灵敏度，并提高其响应速度。
其次，光电效应可以影响器件的电学特性。
通过光电效应，电子和空穴会产生电场和电流，并改变器件的电子能带结构和电荷分布。
半导体光电检测技术
电极
SiO2 P+ + h E 耗尽区 W N e-
Ip
RL
输出电压 Vout
入射光 Pin hv > Eg 抗反射膜
电 极
+ h eRL Ip
空穴 电子 负载电阻 光生电流 W =几 µ m
• 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子−空穴 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子− 对在电场的作用下, 分别离开耗尽区， 区漂移， 对在电场的作用下 分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合， 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入 正电极。从而在外电路形成光生电流。 正电极。从而在外电路形成光生电流。 • 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化， 变成电流信号。 变成电流信号。
• 光生的电子−空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能 光生的电子−空穴对经过高电场区时被加速。 区晶格上的原子碰撞， 量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原 子电离，从而产生新的电子−空穴对。 子电离，从而产生新的电子−空穴对。这种通过碰撞电离产生的 电子−空穴对，称为二次电子−空穴对。 电子−空穴对，称为二次电子−空穴对。 • 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速， 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
解决方法：减小P,N区厚 P,N区厚 解决方法：减小P,N 增加耗尽区的宽度， 度，增加耗尽区的宽度， 使大部分入射光功率在 耗尽区吸收，减少P,N P,N区 耗尽区吸收，减少P,N区 吸收的光能---PIN 吸收的光能--PIN
半导体光电效应及其应用
半导体光电效应及其应用量子力学无疑是20世纪最伟大的科学成就之一，它的诞生是人类对自然界，尤其对微观世界的认识有了质的飞跃，对许多造福人类的高新技术的发展起了奠基、催生和巨大的推动作用。
自20世纪中期开始，电子工业取得了长足的进步，目前已成为世界上最大的产业，而其基础为半导体材料。
为了适应电子工业的巨大需求，从第一代半导体材料：硅、锗（1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质硅。
）发展到第二代半导体材料：Ⅲ——Ⅴ族化合物，再到现在的第三代半导体材料：宽带隙半导体。
半导体领域取得了突飞猛进的发展。
一、光电效应光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。
1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。
1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不溢出物体表面，而是仍留在内部，称为内光电效应。
内、外光电效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用，根据这些效应可制成不同的光电转换器件（光敏器件）。
通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律：1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。
相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。
当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无光电子逸出。
2、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。
3、光电效应的瞬时性。
简述光电效应的工作原理
简述光电效应的工作原理光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，会使材料中的电子被激发并从原子中脱离的现象。
光电效应的工作原理涉及光的粒子性和波动性以及材料的电子结构。
光的粒子性由量子理论中的光子概念来描述。
根据量子理论，光具有粒子性和波动性的双重性质。
光的能量以光子的形式传播，具有确定的能量和动量。
光子的能量由其频率决定，而动量则与光子的波长有关。
当光照射到金属表面时，光子与金属表面的自由电子发生碰撞。
根据动量守恒定律，光子的动量将转移给电子来维持守恒。
当光子的能量大于金属材料中绑定电子的最小能量，光子传递的能量足以克服电子与金属原子之间的束缚力，电子将被激发并从金属原子中脱离。
电子脱离金属表面后，被称为光电子或光电子。
这些光电子将携带着与光子能量对应的动能，并在强电场或电势差的作用下加速移动。
这些光电子的动能可以通过电子能谱仪来检测和测量。
根据光电效应的经典解释，动能和光子能量之间的关系由爱因斯坦于1905年提出的光电效应方程来描述：E = hf - φ在这个方程中，E代表光电子的动能，h是普朗克常数，f是光子的频率，φ是金属表面的逸出功。
逸出功是指金属表面电子使其脱离所需的最小能量，具体取决于金属的种类和表面条件。
除了金属材料，光电效应还可以在半导体材料中观察到。
半导体材料的电子结构类似于金属材料，但是其能带结构对电子的移动有所限制。
半导体材料通常需要光子的能量达到材料的带隙宽度，以激发和脱离电子。
光电效应在许多应用中起着重要作用。
例如，光电效应被广泛应用于太阳能电池，其中光照射到半导体材料上引发光电效应，产生电能。
此外，光电效应还被用于制造光电二极管、光电倍增管、光电管等光电器件，以及在光谱学、光电子学和量子物理学等领域中的研究和应用。
总结起来，光电效应的工作原理涉及光的粒子性和波动性以及材料的电子结构。
当光子能量足够大时，光照射到材料表面，与自由电子相互作用，引发电子的激发和脱离。
半导体的光电效应
半导体的光电效应发布日期:2008-04-25 我也要投稿!作者:网络阅读: 787[ 字体选择：大中小]一、半导体的能带结构按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。
又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。
电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能εF为止。
再上面的能级都是空的。
被电子填满的能带叫满带。
满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。
所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。
全部空着的能带称为空带。
能带间的间隔叫带隙(用Eg表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。
图1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。
如图1(a)所示,导体的费米能级εF在一个能带的中央,该能带被部分填充。
由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。
这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。
如果某一能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。
一般带隙较大(大于10eV数量级)的物质,被称为绝缘体,如图1(b)所示;而带隙较小(小于1eV数量级)的物质,被称为半导体,如图1(c)所示。
半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。
如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。
所以半导体的载流子有电子和空穴两种。
可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。
二、半导体的内光电效应当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。
利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。
半导体的光电效应
本征半导体光电导效应图
讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为
为常数时：
用来产生光电效应的光功率:
产生非平衡载流子的光子数：
响应时间：
探测器的主要参数
关于响应时间 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
线性
线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关
v
I
光敏二极管伏安特性
R
P
N
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
1/f噪声
白噪声
f
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
考察其瞬态过程：
光电导效应 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
注意条件：
理想情况
实际情况
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）
02
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点：
光电效应实验原理
光电效应实验原理
光电效应实验是一种用来验证光电效应现象的实验方法。
其原理是当光照射到金属或半导体表面时，光子的能量可以被电子吸收，并使电子从束缚态跃迁到自由态，形成电子-空穴对。
如果外加一个适当的电场，电子将受到电场力的作用，从而产生电流。
根据光电效应实验的结果可以得到电子与光子之间的关系，进而推导出光子的能量与频率之间的关系。
在光电效应实验中，首先需要准备一个光电效应装置。
该装置通常由一个光源、一个收集电路和一个电流计组成。
光源可以选择可调节的单色光源，以便通过改变光的波长来研究不同波长光对光电效应的影响。
将金属或半导体样品放置在光源中心，并通过收集电路和电流计来测量样品上的光电流。
在实验中，可以通过改变光的强度、波长和入射角度等参数来观察光电效应的变化。
实验结果显示，当入射光的频率低于特定频率时，不论光的强度如何增加，都无法观察到光电流的显著增加。
而当光的频率高于特定频率时，即使光的强度很弱，仍然可以观察到光电流的大幅增加。
这一结果表明，光电效应的发生与光的频率有关，而与光的强度无关。
通过光电效应实验，可以得到以下结论：光电流的大小与入射光的强度成正比，与光的频率无关；光电流的大小与入射光的频率有关，且存在一个特定频率，即阈值频率，当光的频率高于该阈值频率时，光电流会大幅增加。
这些结论与爱因斯坦提出的光量子假设相吻合，为光的粒子性提供了有力的实验证据。
总之，光电效应实验通过测量光电流的变化来研究光电效应现象。
实验结果验证了光电效应与光的频率相关，为光的粒子性提供了实验证据。
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即利用光电材料受光射照射后发生光电效应，实现能量转换。
能产生光电效应的材料有许多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等半导体材料。
硅基太阳能电池的主要材料为硅，硅原子含有14个电子，排列在三个不同的核外电子层中，距离原子核的头两个电子层完全填满，最外层电子处于半满状态，只有4个电子。
硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（8个电子）以达到稳定状态，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，形成晶体结构。
向纯净硅晶体中掺入特定杂质可以改变其特性。
当掺入硼时，硼原子核最外层只有3个电子，掺杂到硅晶体就存在许多空穴，这个空穴因为没有专用的价电子而变得不稳定，容易吸收电子而中和为中性粒子，这种半导体称为P型半导体。
当掺入磷原子时，磷原子有5个电子，就会有一个多余的电子而变得非常活跃，这种半导体称为N型半导体。
当外部不给半导体施加能量作用是，半导体中的电子充满价电子带，在导带中不存在自由电子，半导体不显示导电性。
如果半导体获得外部能量作用，如光照时期温度上升，价电子带的电子接到热能而激发跳跃到导带，自由电子的产生及价电子失去电子后产生空穴成为带正电荷的自由粒子均有利于导电，半导体表现出导电性。
半导体温度越高，导电性能就越好。
当P型和N型半导体结合在一起时，P型一侧带负电，N型一侧带正电，PN结两侧出现浓度差，产生电子漂移电流。
光照不止，入射光子能量足够，电子流不断，电源也就不断产生了。
硅太阳能电池外形有圆的和方的，P层为基体材料，厚为0.2~0.5mm，P层上面是N层（0.2~0.5mm），为光照面，其上分布有若干条栅线组成的上电极，基体下有与其你工程欧姆接触的下电极。
上下电极焊接有银丝作为引线，引出光生电流。
电池表面蒸镀一层天蓝色的二氧化硅减反射膜。
基体材料、电池温度、制造工艺、辐照光强、串联电阻、并联电阻、金属栅线和减反射膜等，都是影响太阳能电池效率的因素。
半导体的光电原理及应用
半导体的光电原理及应用1. 光电原理光电效应是指当光照射到表面时，物质会发生光子和电子的相互作用。
在半导体材料中，光电原理主要涉及到以下几个方面：1.1 光电效应的基本原理光电效应是指当光照射到半导体材料表面时，光子与原子或分子发生相互作用，并将一部分能量转化为电子能量，使原子或分子中的电子被激发或者离化。
这种产生的电子被称为光生载流子。
1.2 光生载流子的性质光生载流子具有正电子和负电子两种性质。
这些载流子在半导体材料内部运动，并贡献电流。
1.3 光电二极管的原理光电二极管是一种利用光电效应制造的器件。
当光照射到光电二极管表面时，光子与半导体材料发生相互作用，产生光生载流子。
在电场的作用下，光生载流子从p区移动到n区，产生电流。
1.4 光电导的原理光电导是一种利用光照射的电导率来控制电流的器件。
它基于光电效应，利用光子的能量将半导体材料的电导率进行调制。
当光照射到光电导材料表面时，光生载流子的产生和复合会改变材料的电导率。
2. 光电原理的应用2.1 光电二极管的应用光电二极管被广泛应用于各个领域。
以下是一些主要的应用：•光通信系统：光电二极管用作光接收器，将光信号转换为电信号。
•光电传感器：光电二极管能够通过测量光的强度或频率来检测环境参数的变化，如光照度、颜色等。
•遥控器：光电二极管作为接收器，接收红外线信号，实现遥控功能。
2.2 光电导的应用光电导是一种灵活可调的电导设备，被广泛用于以下应用：•光电场控制：光电导能够根据光照射强度调节电导率，用于光场控制、光学开关等领域。
•光电传感器：光电导能够测量光的强度，作为光电传感器检测光源。
•光电工业：光电导材料的控制能力使其成为用于生产线上的光电传感和控制设备。
3. 结论半导体材料的光电原理是一项重要的科研课题，也具有广泛的应用前景。
通过充分理解光电效应和光生载流子的性质，我们可以利用半导体材料制造光电二极管和光电导等器件，实现光信号的转换和控制。
半导体光电效应
半导体光电效应嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体光电效应这个神奇的玩意儿。
你说这半导体光电效应啊，就像是一场奇妙的魔法。
咱就把半导体比作一个会变戏法的小精灵吧。
平常呢，它安安静静地待在那里，可一旦有光这个神奇的“魔杖”挥过来，它就立马活跃起来啦！这光啊，就像一把钥匙，能打开半导体里藏着的各种奇妙能力。
你想想看，这光一照，半导体就开始“行动”啦！它能产生电流，就好像小精灵突然有了力量，能推动一些东西动起来一样。
这多有意思呀！而且哦，不同的半导体就像不同性格的小精灵，它们对光的反应还不太一样呢。
有的可能反应特别强烈，一下子就产生很多电流；有的可能就比较“害羞”，反应没那么明显。
这半导体光电效应在我们生活里可太重要啦！咱每天用的手机、电脑，那里面都有半导体在发挥作用呢。
没有它，这些高科技玩意儿可就玩不转咯！就好比你想骑自行车，可没了轮子，那还怎么骑呀？咱再打个比方，这半导体光电效应就像我们人吃饭获得能量一样。
光就是半导体的“食物”，吃下去就能发挥作用啦！而且呀，这作用还不小呢。
它能让我们的生活变得更加丰富多彩，更加便利。
你说要是没有半导体光电效应，那世界得变成啥样啊？估计很多东西都没法实现啦！所以说呀，这小小的半导体光电效应可千万别小瞧了它。
这就好像我们身边那些看起来普普通通的人，说不定在关键时刻就能发挥出巨大的作用呢！半导体光电效应不也是这样吗？平时可能不太起眼，可到了关键时刻，那可是大显身手呀！我们应该感谢这个神奇的现象，让我们的生活变得如此精彩。
我们能享受到这么多高科技的便利，可都是它的功劳呢！所以呀，我们要好好研究它，让它发挥出更大的作用，为我们的生活创造更多的奇迹，难道不是吗？。
半导体的光电效应
半导体的光电效应
半导体的光电效应是指当光线照射到半导体材料上时，会产生电子和空穴的对应数量的载流子，从而产生电流的现象。
这种现象是半导体材料的重要特性之一，也是现代电子技术中广泛应用的基础。
半导体的光电效应是由光子与半导体材料中的电子和空穴相互作用而产生的。
当光子能量与半导体材料中的电子能级相匹配时，光子会被吸收，电子会被激发到导带中，形成自由电子，同时在价带中留下一个空穴。
这些自由电子和空穴可以在半导体中自由移动，从而形成电流。
半导体的光电效应在现代电子技术中有着广泛的应用。
例如，太阳能电池就是利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能的装置。
太阳能电池的工作原理就是将太阳光照射到半导体材料上，产生电子和空穴，从而形成电流。
此外，半导体激光器、光电传感器、光通信等领域也都是利用半导体的光电效应实现的。
半导体的光电效应还有一些特殊的应用。
例如，光电二极管就是一种利用半导体的光电效应制成的器件。
光电二极管可以将光信号转化为电信号，广泛应用于光通信、光电测量等领域。
此外，半导体的光电效应还可以用于制作光电晶体管、光电场效应晶体管等器件，这些器件在光电子学、光电计算等领域有着广泛的应用。
半导体的光电效应是现代电子技术中不可或缺的一部分。
它不仅是
太阳能电池、光电二极管等器件的基础，还为光通信、光电测量等领域的发展提供了重要的支持。
随着科技的不断进步，半导体的光电效应还将有更广泛的应用前景。
半导体物理--第八章 半导体的光电性质及光电效应
定态光电导与光强的关系，存在两种情况：
n＝1， s I s I n＝0.5， s I
（3）杂质吸收
杂质能级上的电子(或空穴)吸收光子跃迁到导带 (或价带)能级中，称为杂质吸收。 所以吸收的长波限为： h c ＝E i
0
（4）晶格吸收 光子能量直接转换为晶格振动能。
第八章 半导体的光电性质及光电效应
• 8.1 半导体的光学常数 • 8.2 半导体的光吸收 • 8.3 半导体的光电导
k k
E＝E －E h
跃迁前后动量改变为：
hk＝hk hq k k q
二. 其他吸收过程 （1）激子吸收 电子和空穴互相束缚形成 一个新的电中性系统。 特点： * h E g * 激子是电中性的。 * 激子能在晶体中运动。 * 激子消失形式：分离；复合
（2）自由载流子吸收 电子在导带中不同能级间的跃迁，或空穴 在价带中不同能级间的跃迁。
hk＋光子动量 hq＝hk
通常， h h a 光子的动量比 hq 小得多，所以
E h＝E hk hq＝hk
（1）直接跃迁
一个电子只吸收 一个光子，不与 晶格交换能量。
跃迁前后能量改变为：
E＝E －E h
跃迁前后动量没有改变：
hk hk
（2）间接跃迁
跃迁前后能量改变为：
（2）复合中心和多数载流子陷阱的综合作用 对光电导的影响。 （a）如果同时存在多数载流子陷阱，陷阱效应对 半导体光电导的弛豫时间有决定性的影响，延长 了光电导的上升和下降的弛豫时间，并且可使两 者很不相同。
简述半导体的光电效应
简述半导体的光电效应半导体的光电效应啊，这可是个特别有趣的事儿呢。
咱们先来说说啥是半导体吧。
半导体就像是一个有点调皮的小孩，它的导电能力啊，既不像导体那么厉害，能让电流跑得飞快，也不像绝缘体那样把电流挡得死死的。
它就处在中间这个状态，就好像一个可进可退的角色。
那光电效应呢？这就像是一场奇妙的魔法。
当光照射到半导体上的时候，就好像是一群小精灵闯进了半导体的小世界。
半导体里本来就有一些电子，这些电子就像一群小懒虫，在自己的小窝里待着。
可是光一来啊，就像一阵号角声，把这些小懒虫给唤醒了。
有些半导体呢，光一照，就会产生电子 - 空穴对。
这就好比是原本平静的湖面，光像一颗小石子投了进去，湖面就出现了涟漪和小坑洼。
电子就像是那些被激起的小水滴，而空穴呢，就像是水滴离开后留下的小坑。
这些电子和空穴啊，它们就可以在半导体里跑来跑去了，这样一来，半导体的导电性能就发生变化了。
这光电效应在生活里有好多体现呢。
就拿太阳能电池来说吧。
这太阳能电池就像是一个小小的能量收集站。
半导体在里面就像是一个勤劳的小工人。
阳光照在上面，就像老板给小工人下了命令，小工人（电子）就开始动起来了，把光能转化成电能。
要是没有半导体的光电效应，这太阳能电池可就成了一个没用的摆设了。
这多像咱们平常做事儿啊，每个环节都得配合好，缺了哪个都不行。
再说说光电探测器。
这东西就像是一个小哨兵。
半导体在里面就是小哨兵的眼睛。
当有光这个“敌人”或者“朋友”（不同的光信号）靠近的时候，半导体的光电效应就像小哨兵的眼睛突然亮了起来，能够发现光的存在并且能判断出这光的一些特性。
这就好比咱们在黑夜里，突然有个光亮，咱们的眼睛能看到光，还能大概知道这光是强是弱，是远是近。
从更深层次看，半导体的光电效应就像一把钥匙，打开了好多科技大门。
它能让我们把光这个无处不在的东西利用起来。
光就像老天爷免费给我们的宝藏，半导体的光电效应就是挖掘这个宝藏的工具。
要是没有这个工具，那这宝藏就只能放在那儿看了，多可惜啊。
半导体物理与光电效应-0925
电子从N型半导体到金属 N 型 P 型 释放能量
升温 加热
电子从金属到N型半导体
？
制冷
吸收能量
降温
半导体制冷
电子从金属到N型半导体 降温 制冷 吸收能量 电子从P型半导体到金属 吸收能量
降温 制冷
电子从N型半导体到金属
释放能量
升温 加热
N型
P型
电子从金属到P型半导体
释放能量
升温
加热
电子方向
半导体制冷
Eg
禁带 价带
h
hc
Eg
光敏电阻
光电效应
内光电效应
光生伏特效应
接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势。
以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg， 使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内 电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区 外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 光电池、光敏二极管和光敏三极管
半导体制冷
导带
EC EV
禁带 Eg
价带
EC N 型 P 型 EV
导带底，导带最低能量层 价带顶，价带最高能量层
半导体制冷
半导体制冷
导带
金属
EF
EC
P型掺杂
E
EF - EV EV
导带
价带
EF - EV+E
N 型
P 型
电子从P型半导体到金属所需能量为 EF - EV+E 吸收能量
降温 制冷
电子在半导体中流动所需的平均能量
塞贝克效应
在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触 电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：
半导体和金属的光电效应机理(负电子亲和势)
E (eV )
2. 这些高能量的光电子在向表面运动过程中，受 到其它电子碰撞，散射而失去一部分能量； 3. 光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后 逸出。 因此，一个良好的光阴极应该满足三个条件： 1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大； 2.光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小 3.光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。
S-1 S-3 S-4 S-5 S-8 S-9 S-10 S-11 S-13 S-14 S-16 S-17 S-19 S-20 S-21 S-23 S-24
AgOCs AgORb Cs,Sb Cs,Sb Cs,Bl Cs,Sb AgOBlCs Cs,Sb Cs,Sb Ge Cd,Se Cs,Sb Cs,Sb NaKCsSb Cs,Sb Tb,Te Na,KSb
30 6~5 40 40 3 30 40 70 60 12400* 125 40 150 30 45
2.8 1.8 40 50 23 20.5 20 56 48 520* 83 65 64 23 4 67
0.43 0.53 12.4 18.2 0.78 5.3 5.5 15.7 13.5 43* 21 24.4 18.8 6.6 2 21.8
光阴极材料及其光谱响应
光阴极光谱响应的截止波长λc由下式决定， 即 1.24
C (μm)
式中E是光阴极材料的功函数。 该式仅仅说明了理想情况下光阴极材料能否 产生光电发射的条件，至于发射效应本身是 否有效，该式无法说明。 实际上，光电子从光阴极内部逸出表面经过 三个过程： 1. 光阴极内部电子吸收光子能量，被激发 到真空能级以上的高能量状态；
前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲 和势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带 之上。 但如果给半导体的表面作特殊处理．使表 面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下， 从而使有效的电子亲和势为负值，经这种 特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴 极(NEA)。 现以Si-Cs2O光电阴极为例加以说明。
半导体的光电效应
半导体的光电效应：从光伏发电到激光器应
用
半导体材料的光电效应是指能量转换的过程，即将光能转换成电能或将电能转换成光能。
这种效应被广泛应用于太阳能电池、光电探测器、激光器等。
光伏发电是半导体光电效应最常见的应用之一。
太阳能电池就是利用半导体光电效应将光能转化为电能的设备。
太阳能电池的主要材料是硅、硒化镉、氧化锌等半导体材料。
太阳能电池的工作原理是，当光线照射到太阳能电池上时，光子的能量被半导体吸收，形成电子-空穴对，产生电荷运动，导致电流的流动，从而产生电能。
除了光伏发电外，光电探测器也是半导体光电效应的常见应用之一。
光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件。
当光线照射到半导体上时，会激发出电子，从而产生电信号。
光电探测器的种类很多，主要分为光电倍增管、光电二极管、光电子啪啪声管等。
半导体的光电效应还被广泛地应用于激光器。
激光器是一种能够产生高度聚焦光束的器件。
其中半导体激光器是一种基于半导体材料光电效应的激光器。
半导体激光器具有体积小、功耗少、效率高等优点，因此在通信、制造、医疗等领域有着广泛的应用。
总之，半导体材料的光电效应是当今科技进步的重要基石之一。
未来随着科技的不断发展，半导体光电材料会有更多的创新应用，为人类带来更多的便利和福利。
半导体的光电效应
半导体的光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，物质会吸收光的能量并产生电子的释放现象。
这一现象在半导体材料中尤为显著，对于现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性能。
它的导电性质可以通过控制光照来实现，这就是光电效应。
半导体的光电效应可以分为两种类型：光电发射和光电流。
光电发射是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被半导体的原子或分子吸收，使得其内部的电子获得足够的能量跃迁到导带中，从而形成电流。
这种现象被广泛应用于光电子器件，如光电二极管、光电倍增管等。
光电发射的特点是其电流与光照强度成正比，且电流随着光照强度增加而增加。
另一种光电效应是光电流。
光电流是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被吸收后产生的电子和空穴对在电场的作用下向两个不同的方向移动，从而形成电流。
光电流的大小与光照强度成正比，但与光电发射不同的是，光电流的大小还与半导体材料的结构和性质有关。
光电流的产生在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用。
半导体的光电效应是由半导体材料的能带结构决定的。
能带是指电子在固体中运动所能具有的能量范围。
在半导体材料中，价带是指电子占据的能量范围，而导带是指电子可以自由移动的能量范围。
当光子的能量大于半导体材料的带隙时，光子的能量可以被半导体材料吸收，使得其内部的电子跃迁到导带中，从而形成电流。
半导体的光电效应不仅在光电子器件中有着广泛的应用，而且在光通信、光储存和光计算等领域也起到了重要的作用。
例如，光纤通信系统中的光电二极管就是利用光电效应将光信号转换为电信号的关键元件之一。
此外，光电效应还可以用于光谱分析、光学测量和光探测等领域。
半导体的光电效应是一项重要的物理现象，它的应用不仅推动了电子技术的发展，而且在光通信、光存储和光计算等领域也起到了关键的作用。
随着科学技术的不断发展，相信光电效应在更多领域将发挥出更大的潜力，为人类带来更多的福祉。
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光明电阻
光谱响应率 时间常数 线性 前历效应 温度特性 常用的光明电阻： 常用的光明电阻： 了解各种光明电阻的特性，用途，使用范围等 了解各种光明电阻的特性，用途，
光敏电阻的偏置电路
基本偏置电路图：
光 明 电 R
p
1 1 R= = G Gd + G p Gd 电 GP S g E S g Φ
阻
RL
1 f = Am
f
A ( f )df
f
∫
∞
0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数 响应率（积分灵敏度） 响应率（积分灵敏度）
Vs = Φ s
Sv
或
IS Sv = Φs
光谱响应率
探测器在波长为 λ的单色光照射下，输出 的电压 Vs (λ )或电流 I s (λ ) 与入射光功率 Φ S 之比：
E0 Ef
金属表面势垒 E0 W
Ef
W = E0 E f
半导体光电反射
E0
半导体的光电发射逸出供为：
EA
W
w = Eg + E A
（其中EA为电子亲和势） 为电子亲和势）
Eg 半导体光电发射
Ec Ef
注意：在光电效应里面： 注意 在光电效应里面：包括内电光与外电光 在光电效应里面 效应， 效应，都存在着一个阀值波长问题
Vb I = RL + R
P 2
RP VbS g R PV b I ≈ = Φ 2 2 (RL + RP ) (RL + RP ) R
P
= R
2 P
S
g
Φ
常用的偏置方法
恒流偏置：
RL >> RP时 I = S gVb ( RP 2 ) Φ RL
I ≈
RP Vb S g
2
恒压偏置：
RL << RP时 V = S gVb R L Φ
半导体光电器件
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制 成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻 光明电阻。 光明电阻 光明电阻的特点： 光明电阻的特点 光谱响应范围宽 工作电流大 所测的光强范围广 灵敏度高 偏置电压低，无极性之分 不足之处是：在强光下线性较差，光电驰豫过程较 长，频率响应低。
光明电阻
光电导与光伏探测器的区别： 光电导：光照产生非平衡载流 子以致改变材料的电导率，不 会产生光电流，要产生电流必 须外加电场。 光伏：同样产生非平衡载流子， 但内部存在一种分开机制，使 得电子与空穴分离而形成光电 流，不需要外加电压。在光敏 二级管时要加电压，作用？
P Is N N Id I V
若入射光功率为 Φ s , 光电流的大小为：
hv 二极管的伏安特性电流：
I d = I 0 (exp( qV ) 1) kT
Is = q
ηΦ s
Is
P
＋
N N
Id I
V
－
那么流过PN结的电流为：
qV I = I d I S = I 0 (exp( ) 1) I S kT
光伏效应 它的供电电流为：
或Vs = f (Φ s )
本征半导体光电导效应图
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等 性能分析
光电导效应
当入射光功率为 Φ s 为常数时： 用来产生光电效应的光功率: ηΦ s 产生非平衡载流子的光子数：ηΦ s
Φs
hv
产生非平衡载流子的浓度： n = p = η Φ s hvAL 在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在 稳定时光生载流子的浓度为： n = p = nτ
dn(t ) 1 = g n(t ) dt τ
= J 0 A
光电导效应
积分得到： n(t ) = n0 (1 exp( )) τ 同样停止光照时：
t
n(t ) = n0 (t ) exp( )
t
τ
矩形脉冲光照弛豫过程图
频率响应：
n =
gτ 1+ ω τ
2 2
=
n0 1 + ω 2τ 2
正弦光照弛豫过程图
噪声的主导地位： 噪声的主导地位 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
白噪声 1/f噪声 噪声
f
等效噪声带宽 若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率 增益的最大值为Am,则噪声带宽为： Am
f
A(f) A(f)
N(f) f
探测器的噪声 一般光电系统的噪声：
目标 光学系统 探测器 前放 信号处理 显示
光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
探测器的噪声 噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声 S(f)
光明电阻
光明电阻的工作原理： 光明电阻的工作原理： 注意本征光电导与杂质光电导的联系与区别： 对于杂质光电导一般采用N型光电导材料 光明电阻的主要特性参数： 光明电阻的主要特性参数： 光电导增益 由光照形成的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流 与光电子形成的内部电流之间的比值： 与光电子形成的内部电流之间的比值： ηΦ e 参见书本： 参见书本： = N hv （表示单位时间内产生的电子空穴对数） VN ( nτ n + pτ p ) A 内部电流：qN 外部光电流为： I p = LAL Ip V 故增益为： M = = 2 ( nτ n + pτ p ) = M n + M p qN L
光生载流子的浓度梯度
光电磁效应
势垒效应（PN结） 势垒效应（ 结
PN结光伏效应 结光伏效应
半导体的PN结 半导体的 结 P型 N型 P型
光生伏特效应
N型
Efp
Efn
Ef
能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功， 电势能降低
P-N结光伏效应 结光伏效应
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
J 0 == q ( n + p ) E
注意条件：
λΦ sη
hcAL
hv ≥ E g
理想情况
λ0
实际情况
λ0
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应 光伏效应，指光照使不均匀半导体或半 光伏效应 导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生机制： 产生机制
线性
线性： 线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关 I v
光敏二极管伏安特性
P N R
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每 一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
半导体的光电效应
因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应 内电光效应: 内电光效应 光电导效应
光生伏特效应
外电光效应: 外电光效应 光电发射效应
光电导效应
光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载 流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导 非本征光电导 本征光电导与非本征光电导 本征光电导 非本征光电导。 下面讨论本征光电导： 讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定性分析 定量计算： 定量计算 I s = f (Φ s )
qV I = I d I S = I 0 (exp( ) 1) I S kT
Id
短路电流为： I sc = I s v 开路电压：Voc = kT ln( Is + 1) q Id
二极管伏安特性
I 说明：第三象限为光电流区 说明 第三象限为光电流区 第四象限为光电池区 第一象限不利用
光敏二极管伏安特性
v
光电发射效应
金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它 和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象， 也称为外光电效应 外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 外光电效应 外光电效应的两个基本定律： 外光电效应的两个基本定律： 1．光电发射第一定律——斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与 入射 光强度成正比： 2. 光电发射第二定律——爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W
辐射度的基本物理量 光谱辐射量： 辐射能： Q e 辐射通量： Φ e =
dQe dt
dΦ 辐射出射度： M = dΦ e e ds
辐射照度：
dΦ Ee = dA
dI e ds cos θ
辐射强度： I = dΦ e e
d
辐射亮度： Le =
光谱光视效率
根据对许多正常人眼的研 究，可统计出各种波长的 平均相对灵敏度。列于下 表： 图中实线为在视场较亮时 测得的，称为明视觉V(λ)曲 线；虚线为在视场较暗时测 得的，称为暗视觉V(λ)曲线 明暗视觉的分界:3cd/m2 明视觉的最大值为555nm 明视觉的最大值为507nm 光谱光视效率V(λ)曲线 曲线 光谱光视效率
光电发射效应 表面势垒：金属表面形成 的偶电层使表面电位突变。 光电发射大致可分三个过程： 光电发射大致可分三个过程 1)金属的电子吸收光子能量，从基态 跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表 面运动过程中免不了要同其它电子或晶 格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面的电子，如果仍有足够的 能量足以克服表面势垒对电子的束缚 （即逸出功）时，即可从表面逸出。 E