半导体的光电效应36页PPT
半导体敏感元件(光敏)-PPT精品文档
有光照时PN结能带图
2.光电效应
外光电效应
沈 阳 工 业 大 学
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
1 2 hv mv 0 A 0 2
真空光电管的伏安特性
光电管
光电倍增管
3.光电管
（1）光照特性
光电管的基本特性
沈 阳 工 业 大 学
通常指当光电管的阳极和阴极之 间所加电压一定时，光通量与光电流 之间的关系。
有光照时
( n n ) q ( p p ) q
0 n 0 p 0
pn
本征光电导
h Eg
0
hc 1240 (nm ) E E g g
光敏电阻器及其测量电路
杂质吸收系数小于本征吸收系数，杂质中激发的光生载流子浓度较小
4.光电导效应器件-光敏电阻器
（4）响应时间和频率特性
E 基本特性
沈 阳 工 业 大 学
光电导的弛豫现象： 光电流的变化对于光的变化，在
时间上有一个滞后。通常用响应时间
t表示。 当光突然照到光电二极管上时，输
出信号从峰值的10%上升到90%的时间，
表示响应速度
tr 2 .2 C jR L
频率特性差是光敏电阻的一个缺点。
4.光电导效应器件-光敏电阻器
沈 阳 工 业 大 学
农作物日照时数测定。输出接 单片机的I/O口，每2分钟对此口查 询1次，为高电平，计数一次，为 低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL，有光照V0=VH。光照
Rw
A
RC
V0
RG
时间 H。
N H 24 (h ) 720
4.光电导效应器件-光敏电阻器
光电效应光电效应ppt光电效应课件
光电效应光电效应ppt光电效应课件光电效应知识背景：1887年，赫兹在证明麦克斯韦波动理论的实验中，首次发现了光电效应。
当时，赫兹注意到，用光特别是紫外光照射处在火花间隙下的电极，会使火花容易从电极间通过。
勒纳于1900年对这个效应也进行了研究，并指出光电效应应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
上图即为实验装置图，入射光通过石英窗照射到金属表面（阴极）时，就有电子发射出来，当有电子到达阳极时，外电路就有电流。
若光电效应应仅此而已，则并没有什么惊奇之处。
事实上，从光电效应的实验中得到的部分结果，用经典的电磁理论却无法解释。
光电效应课件的一些重要的演示结果如下：（1）当发生光电效应时，光照强度不变时，随着电压的增大，电路内的电流也在增大，但是不会无限增大，有一个最大值，这个最大值就是饱和电流。
当光照强度再增大时，饱和电流的值也会相应的增大。
（2）当外加正向电压V足够大时，从阴极发射的电子将全部到达阳极，光电流i达到饱和。
课件演示发现，在入射光频率v一定时，饱和电流i与光强I成正比。
（3）通常即使加上反向电压，回路中还是有电流，但当反向电压大于一临界值时，电流为零，此临界值称为截止电压-V。
课件演示发现：当入射光频率v一定时，同种金属阴极材料的截止电压-V相同，与光强无关。
（4）尽管对特定的金属阴极材料，截止电压-V与光强度I无关，但它与入射频率v成正比。
从课件演示可以看到每一种阴极材料，都分别有确定的截止频率v0，称为观点效应的红线。
入射光频率v必须大于此值，才能产生光电流，否则，不论光强多大，都无光电流。
v0随着阴极材料的不同而改变。
（4）解释上述问题理论基础：1905年，爱因斯坦提出了光子假设。
这个假设认为，当光照到阴极表面时，所发射的一个电子是从一个单一能量量子获得能量。
这种能量量子被称为光子，它的能量与电磁波的频率v有关，大小为ε=hv，h为普朗克常量。
按照爱因斯坦的观点，当光入射到阴极表面时，光子被电子吸收，电子获得了hv的能量。
高二物理竞赛课件：半导体的光电效应
1.满足能量守恒和动量守恒，电子跃迁必然伴随声子的吸收或发射。
2.吸收能量较小，一般为红外吸收。
3.随着波长的增大，吸收强度增强。
杂质吸收
束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子吸收光子跃迁到导 带；空穴吸收光子跃迁到价带，这种光吸收称为杂质吸收。
由于束缚态没有一定的准动量，电子（空穴）可以跃迁到任意的导带（价带） 能级，因而Fra bibliotek起连续的吸收光谱。
其它吸收过程
波长比本征吸收限λ0长的光波在半导体中往往也能被吸收，这说明除了本征吸 收外还存在其它的光吸收过程，主要有激子吸收，杂质吸收，自由载流子吸收和 晶格振动吸收等。
激子吸收
光子能量小于禁带宽度，价带电子受激发后跃出价带但是未进入导带，仍然受 到空穴的库伦场作用。受激电子和空穴束缚结合在一起，形成激子，这样的光吸 收称为激子吸收。
光电导为： q(nn pp )
实际半导体，本征吸收中，Δn= ΔP，但是并不是光生电子和光生空穴都对光 电导有贡献。
光照经过一定的时间才达到定态光电导；同样光照停止后，光电导逐渐消失。 这种光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电 导的弛豫现象。
2 PN结的光生伏特效应
激发方式包括：电致发光、光致发光和阴极发光等。
电子从高能级向低能级跃迁时，必然释放一定的能量，如果跃迁 过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。
半导体发光材料，辐射跃迁占优势。
辐射跃迁主要包括以下几种： 1.本征跃迁（带与带之间的跃迁）
导带电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子，称 为本征跃迁。
发光效率
电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁。 无辐射复合机理比较复杂，主要有两种： 1.俄歇过程：电子从高能级向低能级跃迁时，将多余的能量传递给第三 个载流子，使其受激跃迁到更高能级。 2.发射热声子：电子和空穴复合，可以将能量转变为晶格振动能量。
半导体的光电效应
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
半导体的光电效应.ppt
白噪声 1/f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) N(f)
f
f
f
f 1
A( f )df
Am 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）
探测器的输出信号电压 Vs或电流Is与入射光功率 s之比
NEP s Is
in2
它反映了能探测到的最小光功率
响应时间：
பைடு நூலகம்f0
1
2
其中为响应时间，
f
为探测器的上限频率
0
积分得到：
n(t
)
n0
(1
exp(
t
))
关于响应时间
同样停止光照时：
n(t)
n0
(t)
exp(
t
)
频率响应：
n g n0 1 2 2 1 2 2
矩形脉冲光照弛豫过程图
正弦光照弛豫过程图
I RPVb RP 2Vb S g
( RL RP )2
( RL RP )2
RP RP 2 S g
常用的偏置方法
恒流偏置：
RL RP时
I
S
gVb
(
RP RL
)2
恒压偏置：
RL RP时 V SgVbRL
I
RP2VbSg (RL RP )2
恒功率偏置：即匹配负载法：RL RP
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: 光电导效应
第四章 2 《光电效应》课件ppt
)
答案 AC
解析 用紫外线灯照射锌板时,验电器指针发生了偏转,可知发生了光电效
应,电子从锌板中逸出,此时锌板失去电子带正电,故A正确;光是一种电磁
波,但本实验无法得出此结论,故B错误;紫外光越强,单位时间内逸出的光
电子数目越多,则带电荷量越大,所以验电器的指针偏角越大,故C正确;因
这个现象称为康普顿效应。
3.康普顿效应的解释
ℎ
(1)光子模型:光子不仅具有能量,而且具有动量p= 。
(2)解释:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转
移给电子,光子的动量变小。由p=
ℎ
可知波长λ变大,因此,有些光子散射后
波长变大。
4.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,
性分析有关现象。(物理观念)
思维导图
课前篇 自主预习
必备知识
一、光电效应的实验规律
1.光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。
2.光电子:光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的实验规律
(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流就
越大。这表明对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数
理吗?
要点提示 这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光
照在金属上使电子从金属中飞出,这种现象由爱因斯坦给出了合理的解释
并将其理论化,他阐明了光有粒子流似的行为。
知识归纳
1.光电效应中易混淆的概念
初动能:光照射金属时,从金属逸出时电子的动能;
大小满足能量守恒Ek=hν-E损,E损为电子逸出时克服原子
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。
《光电效应》课件
实验结果表明，当光的波长增 加时，光子的能量降低，电子 的动能减小，无光电子发射。
实验结果证明了爱因斯坦的光 电效应公式和光的粒子性理论 的正确性。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
光电效应的应用
太阳能电池
太阳能电池是利用光电效应将太 阳光转换为电能的装置。
太阳能电池的原理是当太阳光照 射在半导体材料上时，光子能量 激发电子从束缚状态进入自由状
光电材料的应用
新型光电材料在太阳能电池、光电传感器、光电器件等领域 具有广泛的应用前景。
光电转换效率的提高
光电转换技术
目前，光电转换技术正朝着高效、低 成本、环保的方向发展，以提高光电 转换效率。
光电转换效率的瓶颈
虽然光电转换效率已经取得了一定的 提高，但仍存在一些瓶颈，如光吸收 、载流子输运等问题需要解决。
光电效应的实验研究
实验目的和实验原理
实验目的
通过实验研究光电效应现象，深入理 解光子与物质相互作用的过程，探究 光电效应的规律。
实验原理
光电效应是指光子照射在物质表面时 ，光子能量被吸收后，物质内部的电 子吸收能量并从束缚状态跃迁至自由 状态，形成光电流的现象。
实验设备和实验步骤
实验设备：光电效应实验装置、光源、电流表 、电压表等。
当光子撞击物质表面时，能量被吸收并传递给电子，使电子获得足够的能量逃离物 质表面。
电子的发射机制包括逸出功和光子能量两个关键因素，逸出功是指电子从物质表面 逸出所需的最低能量，光子能量是指光子的能量值。
随着光子能量的增加，光电效应的发生概率增加，电子的动能也相应增加。
光电效应的实验验证
半导体材料的光电效应
半导体材料的光电效应半导体材料的光电效应，这听起来是不是很高大上？其实啊，它就像是科学界的小魔术，简单又神奇。
想象一下，咱们的太阳，早上从东边升起，洒下的阳光可不仅仅是温暖的暖气，还是能量的源泉。
这些光子，嘿，就是光的颗粒，穿透空气，撞上了半导体材料，哇，瞬间就能激发出电子，像小精灵一样飞了出来！你说，这是不是特别酷？我们平常用的很多电子设备，像手机、电脑、甚至小小的太阳能电池板，都离不开这种光电效应。
尤其是太阳能电池板，它们就像个勤劳的小蜜蜂，把阳光转化成电能，供咱们日常用电。
想象一下，一个晴天，阳光明媚，咱们的电器在太阳的照耀下活力满满，简直美滋滋。
这种光电效应其实也很像人们在阳光下的那种快乐，都是一种能量的转化。
再说说半导体，它们可不是普通的材料，半导体的魅力在于它们可以通过掺杂其他元素，变得既像绝缘体，又像导体，灵活得就像变色龙。
就拿硅来说，硅是半导体的“老大”，它可以和其他元素组合，形成各种各样的半导体材料。
比如掺点磷，咱们就得到了n型半导体，掺点硼，又变成了p型半导体。
这就像烹饪，调料加得好，味道自然就上来了。
你知道吗，光电效应的应用简直无处不在。
比如现在的摄像头，它们依赖的就是这个原理。
光线通过镜头，照射到半导体传感器上，瞬间将光信号转化成电信号，记录下美好瞬间。
我就忍不住想起那些被拍得美美的照片，都是光电效应的功劳。
要是没有这小魔术，咱们可能只能用画笔去记录生活，那可就麻烦了。
半导体材料的光电效应也推动了科技的飞速发展，哇，简直是科技界的“超级英雄”！在科学家们的努力下，光电技术不断升级，应用越来越广泛。
现在，不仅在光伏发电方面，甚至在医疗设备、激光技术上，都能看到它的身影。
那些高科技的设备，背后都有半导体材料默默的支持。
真是功臣无名啊！不过，咱们也不能忘了光电效应的一些挑战。
虽然它很神奇，但在效率和成本上，依然有待提高。
比如，太阳能电池的效率，虽然越来越高，但还是不能完美地利用所有的阳光。