第一章 光电信息技术物理基础_§1.1理论基础_PPT幻灯片
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§1.1.1 能带理论 能带:是描写固体中原子外层电子运动的一种图象。
（1）按照原子理论，原子中的电子只占据某些能级
（2）结晶格中，电子能在某些整个能带内运动，每一能 带与能级相关联。
（3）泡利不相容原理限制了占某个能级的电子数，同样 也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。
3p 3s 2p
2s
3s 2p
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。光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方
程：
hν1 2mev2 maxφo
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；φO 为光电阴极的逸出功。
3、光电发射第三定律
2s
1s
原子能级
1s
结晶格能带
原子能级和结晶格能带之比较
未填满 填满
（4）导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例（如图）
3p
空带
3s
半满带
2p
2s
满带
1s
钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
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，获 得额外的少许能量就可到能带
在定态的情况下，产生率与复合率相等,光生载流子有确定的 复合几率或寿命τ，这时，对直线性光电导：
若λC 以μm 计，ΔE 以eV 计，则λC与ΔE的关系为 λC = 1.24 / ΔE
（4）光电导体的三个重要参数：灵敏度，弛豫时间和光谱分布
一、光电导体的灵敏度
(1)光电导灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱,用光电增益G 来表示。
(2)G的计算表达式 定义：
G = βτ/ tL ：
（1）
式中β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；τ
为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间, tL = L /(μE) = L2 /(μU ) （2）
由（1）、（2）式得:
G = βτμU/L2
式中,L:两极间距；μ:迁移率；E:两极间的电场强度；U:外加电压 。
光电导体的灵敏度与L的平方成反比,为设计器件提供依据。 如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增 益的表达式为
能带并且有较大能隙。 一个外加的电场无法使价带中的电子加速，因而不能产
生净电流。所以这种物质称为绝缘体。
每掺入一个杂质原子，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 。
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； 这种半导体叫做 n 型半导体。
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v o ，就不会产生光电子发
射。
红限为:
v o = φo / h
4、光电发射的瞬时性 光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量.
可认为光电发射是无惯性的。频率特性好。
光电发射不仅发生在物体的表面层(称为光电发射的 表面效应)，一些灵敏度很高的阴极材料还深入到阴极材 料的深层(称为光电发射的体积效应)
§1.2 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象。这种多发生于金
属和金属氧化物。利用该效应的器件：光电管、光电倍增管等。 几个主要基本定律和性质：
1、光电发射第一定律 在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 = SK ΦK
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。 这个关系式是光电探测器进行光度测量、光电转换的依据。
+
R5
Βιβλιοθήκη BaiduRL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
§1.3 光电导效应
(1)光电导效应：固体受光照而改变其电导率的现象。 半导体和绝缘体都有这种效应。 (2)电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。(迁移率：载流子 的迁移速度与外电场的比值) (3)光电导的长波限
入射光的光子能量要等于或大于相应的能隙 ΔE (禁带宽度或 杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个长波限λC 。
导带(空)
能隙较小
++ + +
杂质能级
价带(满)
p 型半导体中的杂质（受主）
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。
能 隙 较 小
导 带 (空 ) 杂 质 能 级 价 带 (满 )
n型半导体杂质（施主）
（c) p 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等， 即构成 P 型半导体。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。
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。
内附近许多空的状态去,形成电 流。
结论：良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。
例外:
有一些物质，最上面的满带和一个空带重叠，也可成为导体； 人们常称这些物质为半金属(如镁Z=12）。
3p
3s 2p 2s 1s
绝缘体能带
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
（5）绝缘体能带 物质中的最高能带即价带是满的，而且与下一个全空的
光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否 有效工作的问题，决定器件的频率特性。
从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载 流子的积累和消失的过程。
分析定态光电导和光强之间的关系，讨论两种情况：
1、直线性光电导的弛豫过程（即光电导与光强呈线性关系）
增加的电子密度Δn（或空穴密度Δp）与光强I的关系表示为 Δn =αI
G = β(τnμn +τpμp )U/l2 式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命；μn和μp分别为自由电 子和空穴的迁移率。
二、光电导的弛豫
光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定的时 间的，同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失的，这些现象 称为弛豫过程或惰性。
光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。
（1）按照原子理论，原子中的电子只占据某些能级
（2）结晶格中，电子能在某些整个能带内运动，每一能 带与能级相关联。
（3）泡利不相容原理限制了占某个能级的电子数，同样 也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。
3p 3s 2p
2s
3s 2p
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。光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方
程：
hν1 2mev2 maxφo
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；φO 为光电阴极的逸出功。
3、光电发射第三定律
2s
1s
原子能级
1s
结晶格能带
原子能级和结晶格能带之比较
未填满 填满
（4）导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例（如图）
3p
空带
3s
半满带
2p
2s
满带
1s
钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
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，获 得额外的少许能量就可到能带
在定态的情况下，产生率与复合率相等,光生载流子有确定的 复合几率或寿命τ，这时，对直线性光电导：
若λC 以μm 计，ΔE 以eV 计，则λC与ΔE的关系为 λC = 1.24 / ΔE
（4）光电导体的三个重要参数：灵敏度，弛豫时间和光谱分布
一、光电导体的灵敏度
(1)光电导灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱,用光电增益G 来表示。
(2)G的计算表达式 定义：
G = βτ/ tL ：
（1）
式中β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；τ
为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间, tL = L /(μE) = L2 /(μU ) （2）
由（1）、（2）式得:
G = βτμU/L2
式中,L:两极间距；μ:迁移率；E:两极间的电场强度；U:外加电压 。
光电导体的灵敏度与L的平方成反比,为设计器件提供依据。 如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增 益的表达式为
能带并且有较大能隙。 一个外加的电场无法使价带中的电子加速，因而不能产
生净电流。所以这种物质称为绝缘体。
每掺入一个杂质原子，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 。
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； 这种半导体叫做 n 型半导体。
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v o ，就不会产生光电子发
射。
红限为:
v o = φo / h
4、光电发射的瞬时性 光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量.
可认为光电发射是无惯性的。频率特性好。
光电发射不仅发生在物体的表面层(称为光电发射的 表面效应)，一些灵敏度很高的阴极材料还深入到阴极材 料的深层(称为光电发射的体积效应)
§1.2 光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象。这种多发生于金
属和金属氧化物。利用该效应的器件：光电管、光电倍增管等。 几个主要基本定律和性质：
1、光电发射第一定律 在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 = SK ΦK
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。 这个关系式是光电探测器进行光度测量、光电转换的依据。
+
R5
Βιβλιοθήκη BaiduRL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
§1.3 光电导效应
(1)光电导效应：固体受光照而改变其电导率的现象。 半导体和绝缘体都有这种效应。 (2)电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。(迁移率：载流子 的迁移速度与外电场的比值) (3)光电导的长波限
入射光的光子能量要等于或大于相应的能隙 ΔE (禁带宽度或 杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个长波限λC 。
导带(空)
能隙较小
++ + +
杂质能级
价带(满)
p 型半导体中的杂质（受主）
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。
能 隙 较 小
导 带 (空 ) 杂 质 能 级 价 带 (满 )
n型半导体杂质（施主）
（c) p 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等， 即构成 P 型半导体。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。
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。
内附近许多空的状态去,形成电 流。
结论：良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。
例外:
有一些物质，最上面的满带和一个空带重叠，也可成为导体； 人们常称这些物质为半金属(如镁Z=12）。
3p
3s 2p 2s 1s
绝缘体能带
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
（5）绝缘体能带 物质中的最高能带即价带是满的，而且与下一个全空的
光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否 有效工作的问题，决定器件的频率特性。
从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载 流子的积累和消失的过程。
分析定态光电导和光强之间的关系，讨论两种情况：
1、直线性光电导的弛豫过程（即光电导与光强呈线性关系）
增加的电子密度Δn（或空穴密度Δp）与光强I的关系表示为 Δn =αI
G = β(τnμn +τpμp )U/l2 式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命；μn和μp分别为自由电 子和空穴的迁移率。
二、光电导的弛豫
光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定的时 间的，同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失的，这些现象 称为弛豫过程或惰性。
光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。