第一章 光电器件的物理基础.pptVIP

光电器件的物理基础 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，又是光子流。 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。 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。 半导体基础知识 能带理论 能带（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5×1022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。 N型半导体与P型半导体的比较 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 半导体对光的吸收 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。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： Ix=I0(1-r)e-αx 非平衡态下的载流子 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。 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。 光注入：光注入下产生非平衡载流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。 载流子的输运——扩散与漂移 1.计算出300K温度下掺入1015/cm3硼原子的硅片中电子和空穴的浓度及费米能级，画出其能带图。（当300K时，ni=1.5x1010/cm3,Eg=1.12eV）。 2.半导体对光的吸收主要表现为什么？它产生的条件及其定义。 3.扩散长度的定义。扩散系数和迁移率的爱因斯坦关系式。多子和少子在扩散和漂移中的作用。 光电效应 光电导效应 光伏效应 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。 产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。 制作P-N结的材料，可以是同一种半导体（同质结），也可以是由两种不同的半导体材料或金属与半导体的结合（异质结）。“结合”指一个单晶体内部根据杂质的种类和含量的不同而形成的接触区域，严格来说是指其中的过渡区。 结有多种：P-N结、P-I结、N-I结、P+-P结、N+-N结等。I型指本征型，P+、N+分别指相对于p、n型半导体受主、施主浓度更大些。 1.P63 ，第4题 2.叙述p-n结光伏效应原理。 光电发射效应 对于N型半导体，施主能级上的电子跃迁到表面能级时，半导体表面将产生一个负的空间电荷区。而距离表面稍远一点的体内则分布有等量正的体电荷，因此表面能带向上弯。向上弯的程度，可用表面势垒eUs表示，e为电子电荷，Us为表面势，在数值上等于体内与表面的电势差。对于N型半导体来说，因表面能带向上弯，体内的电子亲和势Eae要比表面能带不发生弯曲时增加一个势垒高度eUs，使得体内光电子发射变得更困难。 ??? 对于P型半导体，情况正好相反。表面能级中能量高于受主能级的电子有的要跃迁到受主能级上，于是半导体表面即产生一个正的空间电荷区，距离表面稍远一点的 体内则分布有等量的负电荷，因此表面能带向下弯。特别是P型半导体表面吸附有带正电性的原子（例如铯原子）或N型材料的时候，表面上偶电层正电性在外，能 带弯曲就更厉害。能带弯曲的程度也用表面势垒eUs表示。表面能带向下弯，使得体内电子亲和势比能带不发生弯曲时减少一个势垒高度eUs。这样，这种表面能带弯曲对于体内的