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。
半导体的基本特征
半导体的基本特征
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特征。
以下是半导体的基本特征：
1. 导电性能：半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半
导体中，电子和空穴数量相等，因此电导率很低。
但是，通过掺杂或
施加电场等方法，可以增加半导体的导电性能。
2. 能带结构：半导体的能带结构是其特征之一。
半导体的能带结构由
价带和导带组成。
在纯净的半导体中，价带和导带之间存在能隙，电
子必须获得足够的能量才能跃迁到导带中。
3. 温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化。
在低温下，半导
体的电导率很低，但随着温度的升高，电导率会增加。
这是因为温度
升高会增加电子和空穴的数量，从而增加半导体的导电性能。
4. 光电特性：半导体具有光电效应，即当光照射到半导体上时，会产
生电子和空穴。
这种现象被广泛应用于太阳能电池和光电器件等领域。
5. PN结：PN结是半导体器件的基础。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，具有整流和放大等功能。
6. 控制特性：半导体的电性能受到外部电场的控制。
通过施加电场，可以控制半导体中电子和空穴的数量和移动方向，从而实现对半导体器件的控制。
总之，半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，能带结构、温度特性、光电特性、PN结、控制特性等特征。
这些特征使得半导体在电子器件、光电器件、太阳能电池等领域得到广泛应用。
光电效应的名词解释
光电效应的名词解释
光电效应是一种基本的量子现象，它是指当金属或半导体等物质受到光照射时，自由电子从固体表面被激发出来的现象。
光电效应的发现和研究是量子力学的重要里程碑之一，它不仅揭示了光的粒子性质，也为现代物理学和电子技术的发展提供了重要的基础和支撑。
光电效应的基本原理是光子与物质相互作用。
光子是光的基本单位，它具有能量和动量，可以视为一种粒子。
当光子与物质相互作用时，它的能量和动量会被传递给物质中的原子或分子，从而激发出自由电子。
这个过程需要满足一定的条件，包括光子的能量足够大，光子的波长足够短，以及物质的表面足够光滑等。
光电效应的实验可以通过照射金属或半导体表面，观察自由电子的释放和运动来进行。
实验中，通常使用光电池或光电倍增管等器件来测量光电流和光电子能谱等参数。
光电流是指由光照射产生的电流，它的大小和光的强度和波长有关；光电子能谱是指光电子的能量分布，它可以提供物质表面电子结构的信息。
光电效应在物理学、化学、材料科学、电子技术等领域中具有广泛的应用。
例如，在太阳能电池中，光电效应被用来将光能转化为电能；在光电倍增管中，光电效应被用来放大光信号；在表面分析技术中，光电效应被用来研究物质表面的电子结构等。
总之，光电效应是一种重要的量子现象，它揭示了光的粒子性质和物质表面的电子结构，为现代物理学和电子技术的发展提供了重要的基础和支撑。
半导体辐照效应
半导体辐照效应
半导体的光电效应是指当半导体被光照射时，其价带和导带中的电子和空穴被光子激发，产生光生载流子。
这些光生载流子可以在半导体中移动，产生光电流。
半导体的光电效应是半导体材料重要的物理特性之一。
当半导体被强光照射时，光的能量超过其禁带宽度，导致价带和导带之间的能级压降增大。
这样，光生载流子的浓度就会急剧增加，产生大量的光电流。
此外，半导体中的杂质也会影响光电效应的发生。
例如，在锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质能级上的电子很容易激发到导带成为电子载流子。
而掺入三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，则会产生空穴载流子。
半导体辐照效应可以用来制造太阳能电池、光电子器件、光电探测器等光学器件。
在这些应用中，半导体的光电效应是实现光能量转化为电能的关键。
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
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
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。
一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。
但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。
光照就是一种激励方式。
当入射光的能量hν≥E(g Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。
这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。
因此,这种光电效应就是一种内光电效应。
从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即E入=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。
这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。
入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。
当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。
广义地说,这也是一种光电效应。
这些效应,可以由半导体材料对光波的吸收谱线来观察和分析。
三、半导体材料的掺杂与PN结的形成
半导体材料硅(Si)和锗(Ge)都是第Ⅳ主族元素,每个电子的4个价电子与近邻的4个原子的一个价电子形成共价键。
如图2(a)所示。
这些价电子就是处在价带中的电子。
纯
净的半导体材料结构比较稳定,在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中去,形成电子——空穴对的载流子。
但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质,就可以使半导体的导电性能大大改观。
同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和其它性能,丰富半导体的应用。
半导体掺杂主要有两种类型。
一种是在纯净的半导体中掺入微量的第Ⅴ主族杂质,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。
当它们在晶格中替代硅原子后,它的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共价键外,还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带εF禁带周围,如图2(b)所示。
这种提供电子的杂质叫施主杂质。
量子理论分析的结果表明,此时将在靠近半导体导
带下边缘的禁带中产生一个施主能级,如图所示。
此能级与导带底能隙很小,室温下其上的电子也可大量激发到导带上去,形成载流子。
这种主要依靠施主杂质提供电子导电的半导体,叫N型半导体。
它的多数载流子(简称多子)是电子,少数载流子(简称少子)是空穴。
另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第Ⅲ主族杂质,如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等。
此时会形成如图2(c)所示的接受电子的受主杂质。
这也相当于提供了一个空穴。
这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。
室温下价带中的电子可以大量激发到受主能级上去,而在价带中留下正载流子——空穴,如图3(b)所示。
这种主要依靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫P型半导体。
其多子是空穴,少子是电子。
如果一块半导体材料中,一部分P型区紧邻着另一部分N型区,如图4(a)所示,由于两个区域的多子类型不同,某区域内浓度高的载流子
要向另一个区域扩散。
即P区的多子空穴向N区扩散,而N区的多子电子向P区扩散。
直至在接触面附近形成一个由N区指向P区的内建场阻止电荷的继续扩散,达到动态平衡。
如图4(b)所示。
此时在两区交界处就形成了PN结。
四、PN结光伏效应的光电转换机制
半导体PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN结区产生电动势的效应。
它的主要光电转换过程如下:当用光子能量hν≥E(g Eg为带隙间隔)的入射光照射半导体PN结时,半导体内的电子吸收能量,可激发出电子——空穴对。
这些非平衡载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用下分离。
电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方向向P区移动,如图5(a)所示。
结果在N区边界积累了电子,在P 区边界积累了空穴,如图5(b)所示。
这样就产生了一个与平衡态PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指向N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。
这样就把光能转化成了电能。
若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。
五、PN结光伏效应的应用
(一)太阳电池。
PN结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件——太阳电池。
制造太阳电池的材料主要有硅(Si)、硫化镉(CdS)和砷化镓(GaAs)等。
现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。
目前,太阳电池的应用已十分广泛。
它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。
在其它方面的应用也十分普遍。
关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:
宇宙开发——观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星…
航空运输——飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…
气象观测——无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…
航线识别——航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…
通讯设备——无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…
农畜牧业——电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯…
公路铁路——无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话…
日常生活——照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯
太阳电池的基本结构是:把一个大面积PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。
为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。
为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN结,底电极一般做成大面积的金属板。
如图6所示。
图7为两种实际应用的太阳电池板。
例如2002年春季普通高中毕业会考的物理试题中有这样一个选择题:例:许多人造卫星都用太阳能电池供电。
太阳能电池由许多片电池板组成。
当太阳光照射某电池板时,该电池板的开路电压是600mV,短路电流是30mA,那么,这块电池板的内电阻是()。
A.10Ω
B.20Ω
C.40Ω
D.60Ω
由闭合电路欧姆定律不难得出,内电阻为600mV/30mA=20Ω.即选项B正确。
(二)光电探测器。
光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。
光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。
其中光敏管(包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管)是此类光电器件的重要组成部分。
它与我们高中教材传感器实验中研究的光敏电阻都是实行光电信号转化的装置。
光电探测器在科技、生活、生产和国防建设中都有着重要的应用。
例如数码照相机、数码摄像机、天文显微镜、GPS全球定位系统、气象卫星拍摄的气象云图、巡航导弹目标定位等等。
这些应用中最基本的是有一个非常灵敏的光电探测器。
图8所示是一些实际应用中的光电探测器件的图片。