9.半导体的光电效应及应用_Xi
光电效应及其应用
光电效应及其应用光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，电子受到光能的激发而从材料中释放出来的一种现象。
这一效应的发现和研究对于揭示光的本质和推动光电子学的发展具有重要意义。
本文将介绍光电效应的原理和应用领域。
一、光电效应的原理光电效应是在20世纪初由爱因斯坦解释和阐述的。
根据爱因斯坦的理论，光视为光子粒子流，其能量和频率与光子的粒子数和频率成正比。
当光照射到金属表面时，光子会与金属表面的电子发生碰撞，使得某些电子具有足够的能量逃离金属表面，并形成自由电子。
这个过程涉及到光子的能量吸收和电子的能级结构，而光电效应的发生与光的强度、频率和金属的材料属性有关。
二、光电效应的应用1. 光电池光电效应产生的自由电子可以通过合适的电路进行收集和利用。
利用半导体材料和光电效应原理制造的光电池，可以将光能直接转化为电能。
光电池广泛应用于太阳能电池板、光电传感器等领域，为可再生能源的开发和利用提供了重要的技术支持。
2. 光电子器件光电效应在光电子器件中的应用也非常广泛。
例如，光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的装置，常用于光通信、光计量等领域。
光电效应还可以用于制造光电倍增管、光电子显像管等光电子器件，广泛应用于光学测量、成像等技术领域。
3. 光电子学研究光电效应也为光电子学研究提供了实验基础和理论依据。
研究光电效应可以揭示光的粒子性质和光与物质相互作用的机制，为开发新的光电子器件和技术提供了指导。
同时，通过研究和改进光电效应，人们也可以探索新的光学现象和应用，推动光电子学的发展。
4. 光电效应的科学研究光电效应是研究电磁辐射与物质相互作用的重要现象之一。
科学家通过研究光电效应，深入探讨了光的粒子性质、波动性质和电子结构等问题，对于量子力学和光学等学科的发展起到了重要的推动作用。
总结：光电效应作为一项重要的光学现象和物理现象，具有广泛的应用和科研价值。
通过光电效应的研究和应用，可以实现光能到电能的转换，广泛应用于能源、通信、测量、成像等领域。
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。
光电效应及其应用
光电效应及其应用光电效应是一种经典物理学现象，它是指金属或半导体等材料在受到光照射时，会发生电子的发射现象。
这个效应的发现具有极为重要的科学意义和实际应用价值。
在本文中，我们将详细探讨光电效应的起源、机理、特征、应用和未来的发展趋势。
1、光电效应的起源光电效应的发现要归功于爱因斯坦，在他的著名論文《觸及光子時》中，他详细地论述了光电效应的概念和理论，揭示了这一现象背后的物理原理。
早在19世纪末，当时的科学家们已经研究出了电磁波的性质和光的波动性质，但是，对于光子概念的提出，却一直缺乏实验支持。
直到爱因斯坦在解释光电效应时引入了光子概念，从而为量子物理学开辟了新的研究方向。
2、光电效应的机理光电效应的机理很简单，它是基于物体的光电子发射性质。
当金属表面受到光的照射时，能量被转化为电子的动能，如果受到的光的能量足够大，可以让金属表面的电子脱离，形成自由电子，这样就可以在电路中形成起电流。
这个现象可以通过下面的公式来描述：hν = E_k + Φ其中，h表示普朗克常数，ν表示光子的频率，E_k是从金属中释放出的电子的动能，Φ是表征金属表面电子结构的参数，称为功函数或者逸出功。
这个公式表示光子的能量必须大于金属的逸出功，才能让电子从金属表面释放出来。
3、光电效应的特征光电效应有很多特征，其中比较重要的特征有下面几个：（1）光电子发射只与入射光子的频率有关，与它的强度无关。
（2）光子的入射能量必须高于金属表面逸出功才能产生光电效应。
（3）对于给定的金属，只有具有相同或更高逸出功的光子才能激发相应的电子。
（4）光电效应的产生是瞬时的，与光的持续时间无关。
4、光电效应的应用光电效应是一种非常重要的物理现象，它广泛应用于科学、工业和医学等众多领域。
以下是一些常见的应用：（1）太阳能发电：光电池就是利用光电效应的原理制成的。
（2）显微镜：在显微镜中，通过将样品用电子轰击，让样品表面发生光电效应，从而获得更高的分辨率。
光电效应及应用
光探测器
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一种43Gb/s DQPSK双平衡接收机
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6.2.1 PIN光敏二极管 1. 工作原理
简单的 PN 结光敏二极管具有两个主 要的缺点。 首先，它的结电容或耗尽区电容较大， RC 时间常数较大，不利于高频调制。 其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微 米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽 度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽 层吸收，因此长波长的量子效率很低。
第6章 光电效应及应用
光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量 后，产生电子的效应，这种现象最早是由德国物 理学家赫兹在1887年研究电磁波的性质时偶然发 现的，但当时人们用经典电磁理论无法对实验中 得到的结果做出合理的解释。 直到1905年，爱因斯坦用光量子的概念，从理论 上才成功地解释了光电效应现象，因此爱因斯坦 1912年获得了诺贝尔物理学奖。 光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。 光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为 电信号，产生光生电流；而光伏电池是将太阳能 转换为电能。
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6.1.2 响应度和量子效率
光生电流 I P 与产生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也 就是说直接与入射光功率 Pin 成正比，即
I p RP in
(6.1.1)
式中 R 是光电检测器响应度（用A/W表示)。由此式可以得到 (6.1.2) 响应度 R 可用量子效率表示，其定义是产生的电子数与入射光子数 之比，即 (6.1.3) . 1019 焦耳，是电子电荷， h 6.63 10 34 焦耳 - 秒，是普朗克 式中 q 16 常数， 是入射光频率。由此式可以得到响应度
R
R
IP Pin
IP q h R Pin h q
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。
光电效应及其现代应用
光电效应及其现代应用光电效应是指当光照射到金属表面时，金属中的自由电子会被光子激发而脱离原子，形成电子-空穴对。
这一现象的发现对于理解光与物质相互作用的基本过程以及发展现代技术产生了深远影响。
本文将介绍光电效应的基本原理、实验观测以及其在现代科学和技术中的重要应用。
光电效应的原理光电效应是20世纪初由爱因斯坦提出的一个重要理论，该理论解释了光照射到金属表面时引发光电效应的机制。
根据光电效应的原理，当光子能量足够高时，才能够将金属中束缚态电子激发至散射态。
这一激发需要满足能量守恒关系，即入射光子能量必须大于等于材料中待激发电子的束缚能。
此外，光电效应还受到金属表面的功函数和波长等因素的影响。
金属表面的功函数决定了吸收光子所需的最低能量，而波长则影响了光子在金属表面击打所传递的动量。
根据以上原理，我们可以预测光电效应的温度和频率依赖性。
实验观测与量化为了验证光电效应的存在并进一步研究其性质，科学家们进行了大量实验观测。
其中最著名的实验是由汤姆生（Robert A. Millikan）于1916年进行的油滴实验。
汤姆生利用油滴在垂直带电平板间的匀强电场中受力平衡条件来研究光电效应，并成功测定了元电荷的大小。
通过这些实验观测以及对实验结果的分析，科学家们建立了一套完整的量化描述光电效应的方法。
其中包括：1. 光电流与入射光强度之间的线性关系：当入射光强度增加时，光电流也随之增加；2. 入射光频率对光电流和最大动能上限的影响：当入射光频率增加时，光电流也增加，并且最大动能上限也增加；3. 入射光强度对最大动能上限和饱和光电流的影响：动能上限随入射光强度增加而稳定，在较高强度下饱和； 4. 逸出功与入射光波长之间关系：逸出功与入射光波长成反比。
这些量化结果进一步证明了爱因斯坦关于光子性质以及材料内部电子结构理论的正确性，为后续研究奠定了基础。
现代应用光电池随着能源需求不断增长和对可再生能源的追求，太阳能作为一种环保、清洁且来源广泛的能源备受关注。
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根据实际要求选用适当的材料来折衷。
在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工 业自 动控制、光度计量等； 在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等 方面。
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1.2 用于光电探测的光电二极管
工作模式：pn结施加反向偏压
反向偏压时
势垒高度上升 势垒区变宽
p区
• 没有光照时，反向电流极其微弱（暗电流） • 有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的变 化引起光电二极管电流变化，光的强度越大，反向电流也越大。
半导体的光生伏特效应（Photovoltaics） 发光二极管（LED） 激光二极管（LD）
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光子电子互作用时的主要物理过程
透明还是吸收？条件？
PD 和 Solar Cell
LED (非相干过程)
LD (相干过程)
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光探测器主要材料的吸收特性
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1. 半导体光电探测器
1.1 光电导与光敏电阻
讨论：在光纤通信系统中应用时，应采用怎样的设计以实现高响 应度？或高带宽？
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2. 半导体的光生伏特效应（以pn结为例）太阳光 Nhomakorabeap区
空间电荷区
光照产生非子 +
n区
+ + + + + + + + + + + +
+ + +
内建电场 光生电流 I L 光生电压（相当于正偏） I F 会导致一定的正向电流
开路时，IL=IF，Voc 短路时，IF=0，IL=Isc
• 为获得更高的相对光电导，n0、p0应具有较小值，因此通常
采用高阻材料（CdS、CdSe）或者在低温下使用。
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• 光电导灵敏度一般定义为单位光照强度所引起的光电导。
单位体积内光子的吸收率
q I n n p p
光生载流子寿命越大，灵敏度越高，但响应速度会因大的 载流子寿命而降低。 实际应用中，即要求灵敏度高，又要求响应速度快，必须
通过异质结构增加内量子效率！
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3. 发光二极管
输出功率与光谱
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3. 发光二极管
应用：显示、照明、光源器件（短距离低速率光纤通信系统）、LiFi等
Wireless Fidelity WiFi Light Fidelity LiFi 可见光通信
LED灯泡中增加一个微芯片，控制它每秒数 百万次闪烁，光敏传感器可接收到这些变化。 二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进 行有效传输，便让灯泡变成无线网络发射器。 一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可 上网，最高速率可达3.25G，平均上网速率 达到150M。
非平衡多数载流子
Ec
△n = n － n0 n0
w Eg
Ev
光照产生非平衡载流子
△n 和△p 电子空穴成对产生
p0 △p = p － p0
非平衡少数载流子
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光电导
——
光照引起半导体载流子浓度增大，使得电导率增加
• 利用光电导效应制作光敏电阻，其电阻值随入射光的强弱而
改变的电阻器，是最为简单的光电探测器。
FP激光器输出光功率及光谱
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高速直接调制激光器（光纤通信系统核心光源器件）
分析方法： 1）静态 2）小信号 3）大信号
实现光强度调制的最简单的方式 优点：结构紧凑，功耗低，成本低
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正常工作时，对外电路进行供电， 回路电流 I R I L I F
R
IR, VR
光电转换效率 (PCE)
FF I sc Voc Pin
I
Voc
I sc
I R VR FF ( Filling Factor ) Isc Voc
V • 开路电压：随光强增强而增大，但增大到pn结势垒消失时 达到饱和
导带电子注入，价带电子运出
半导体材料中电子既有动能又有势能！ 势能提供能量 动能便于电子抽运
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4. 激光二极管
振荡三要素之二：增益（能量转化的过程）
带电粒子能量 电磁场能量 利用带电粒子动能（如行波放大器） 利用带电粒子势能
粒子数 反转
4. 激光二极管
振荡三要素之三：选频反馈机制（正反馈） FP激光器：两端镜面 DFB激光器：光栅
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3. 发光二极管
•核心过程为自发辐射 •光子不相干：方向不同，相位随机
LED通常由Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体 制成的，其核心是正偏的PN结。
电子和空穴复合，经自发辐射 过程释放出光子
输出功率
注入电流
辐射复合率
非辐射复合率
总的量子效率
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3. 发光二极管
同质结与异质结的比较
半导体物理（40/2.5）
（电子1201-1206）
2014-2015 第一学期 奚燕萍
1
1
2
半导体中的电子状态 半导体中载流子的统计分布 载流子输运 非平衡载流子
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p－n结
金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构
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异质结
2
9 半导体光电效应及应用
Optoelectronic effect
• 短路电流：随光照强度线性上升
讨论：如何提高光电转换效率（输出电功率与输入光功率之比）？
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3. 发光二极管（LED）
“the invention of efficient blue light-emitting diodes, which has enabled bright and energy-saving white light sources.” In its media statement today announcing the Prize, the Nobel Committee noted that while “incandescent light bulbs lit the 20th Century, the 21st Century will be lit by LED lamps.” LED lighting systems will account for 74 percent of lighting sales in the United States by 2030, reducing electricity demand for lighting by nearly 50 percent in the next two decades.
优势： 安全、经济 更大的带宽与更高的速率
劣势： 灯光被阻挡，网络信号将被切断； 应可与WiFi起到互补作用
智能交通系统，实现飞机内上网？
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4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
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4. 激光二极管
•核心过程为受激辐射 •光子相关：相同频率、相位和偏振态
振荡三要素之一：泵浦
光电效应
光电探测器、光伏
光能
发光、激光二极管
电能
• 光电探测器：光敏电阻、pn结光电二极管（还有pin光电 二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管等）
光伏：太阳能电池（pn结，肖特基结，异质结） • 电致发光：发光二极管、激光二极管
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半导体的光电效应
本节内容提要
光电互作用的主要物理过程 光电效应的应用 半导体光电探测器（Photodetector）