第二章光电检测技术基础10

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1、光的本性光的本性“光光”，是我们十分熟悉的对象。我们天天接触光，是我们十分熟悉的对象。我们天天接触光，处处利用光。光是人类生存的基础，是美化世界的信处处利用光。光是人类生存的基础，是美化世界的信使，是生产发展的工具。对地球而言，太阳是最大的使，是生产发展的工具。对地球而言，太阳是最大的光源，宇宙间的恒星，全都是发光体。光源，宇宙间的恒星，全都是发光体。虽然我们生活在光的世界，时刻感觉道光的存在，但虽然我们生活在光的世界，时刻感觉道光的存在，但是我们对于光的本性的认识却经历了漫长的岁月，这是我们对于光的本性的认识却经历了漫长的岁月，这种认识过程知道现在还在继续着。种认识过程知道现在还在继续着。第

2、二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础 十七世纪之前：十七世纪之前：感性认识阶段感性认识阶段墨翟墨翟 墨经墨经 （ 公元前公元前468公元前公元前376）欧几里德欧几里德 光学光学 （公元前（公元前330公元前公元前275）经验规律经验规律平面镜成像，反射定律平面镜成像，反射定律光的触须说光的触须说十七世纪：十七世纪：几何光学、光学仪器几何光学、光学仪器利佩尔兹：利佩尔兹：16081608年，荷兰的年，荷兰的利佩尔兹利佩尔兹发明发明望远镜望远镜开普勒（开普勒（1571157116301630）：研制开普勒天文望远镜，）：研制开普勒天文望远镜，16111611年著年著作作折光学折光学，提出

3、照度定律，得出折射角和入射角近似成，提出照度定律，得出折射角和入射角近似成正比关系，解释近视眼和远视眼原因正比关系，解释近视眼和远视眼原因斯涅儿：斯涅儿：16211621年在一篇文章中给出入射角的余割和折射角的年在一篇文章中给出入射角的余割和折射角的余割之比为常数余割之比为常数笛卡尔：笛卡尔：16201620年给出用正弦函数表述的折射定律年给出用正弦函数表述的折射定律费马：费马：16571657年指出光在介质中传播时所走路程取极值的原年指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理理费马原理，并根据这个原理推出光的反射和折射定律费马原理，并根据这个原理推出光的反射和折射定律十七世纪中叶，几何光学基础

4、基本奠定十七世纪中叶，几何光学基础基本奠定牛顿：牛顿：16721672年完成三棱镜色散实验，发现了牛顿圈，年完成三棱镜色散实验，发现了牛顿圈，17041704年出版年出版光学光学一书中提出光的一书中提出光的微粒说微粒说 光的微粒说可以解释反射和折射定律，但不能解释牛光的微粒说可以解释反射和折射定律，但不能解释牛顿圈顿圈惠更斯：惠更斯：16781678年创建光的波动说，提出次波原理年创建光的波动说，提出次波原理 仍局限在几何光学方面，没有指出光现象的周期性，仍局限在几何光学方面，没有指出光现象的周期性，没有提到波长、相位的概念，不能说明干涉、衍射等有关没有提到波长、相位的概念，不能说明干涉、衍射

5、等有关光的本性的现象光的本性的现象十八世纪：十八世纪： 光的理论没什么进展，大多说科学家接受光的理论没什么进展，大多说科学家接受了光的微粒说了光的微粒说十九世纪：十九世纪：光的电磁理论光的电磁理论托马斯托马斯杨：杨：18011801年用双缝显示了光的干涉现象，第一次年用双缝显示了光的干涉现象，第一次成功的测定了光的波长，用干涉原理令人满意的解释了白成功的测定了光的波长，用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来光照射下薄膜颜色的由来菲涅尔：菲涅尔：18151815年用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成年用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了惠更斯了惠更斯菲涅尔原理，不仅可以解释光在各向

6、同性介质菲涅尔原理，不仅可以解释光在各向同性介质中的直线传播，还可以解释光绕过障碍物的衍射现象，是中的直线传播，还可以解释光绕过障碍物的衍射现象，是波动光学一个非常重要的原理波动光学一个非常重要的原理法拉第：法拉第：18451845年发现了光的震动在强磁场中的旋转，揭示年发现了光的震动在强磁场中的旋转，揭示光学现象和电磁现象的内在联系光学现象和电磁现象的内在联系韦伯：韦伯：18561856年发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于年发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于真空中的光速真空中的光速300000000300000000米米/ /秒秒麦克斯韦：麦克斯韦：1860年提出光是电磁波的理论年提

7、出光是电磁波的理论电磁波（在真空中C=2.9979250X108米/秒）与光的速度完全一样，并且都不需要传播媒质；电磁波的理论都可以用来描述光的各种现象，理论与实践在许多方面都很吻合。光的电磁理论揭示了光的电磁本质，使人们对光本性的认识大大提高了一步。波的频率是由波源确定的，它就等于波源震动的频率，而波的频率是由波源确定的，它就等于波源震动的频率，而波速是由媒质决定的波速是由媒质决定的波传播的速度（简称波速）波传播的速度（简称波速）V V 和波长和波长、周期、周期T T（或频率（或频率f f）的关系是：的关系是：VfT一个完整的波的长度，叫做一个完整的波的长度，叫做波长，用符号波长，用符号表示

8、。表示。波前进一个波长所需的时间，叫波前进一个波长所需的时间，叫做波的周期，用符号做波的周期，用符号T T表示。它也表示。它也等于媒质中的点振动一次的时间等于媒质中的点振动一次的时间（单位用秒）。（单位用秒）。周期周期T T的倒数是波的频率，用符号的倒数是波的频率，用符号f f表示，是指单位时间内表示，是指单位时间内波前进距离内完整波的数目，（单位用次波前进距离内完整波的数目，（单位用次/ /秒，叫做赫兹）。秒，叫做赫兹）。电磁波在不同媒质传播时，它的速度是不同的，但都比真空中的速度C要小。光在空气中的速度略小于C，通常可用C来近似，光在水中的传播速度只有C的四分之三，在玻璃中的传播速度是C的

9、三分之二。 在真空中，电磁波的速度、波长、频率之间的关系为C=f由于光波的波长很短，用米或厘米作单位都嫌太大，而采用更小的单位微米（m）、纳米（nm）和埃（），它们之间的换算关系为：1m=103mm=106m=109nm=1010 二十世纪二十世纪光的波粒二象性光的波粒二象性光的电磁理论所遇到的主要困难是不能解释光和物光的电磁理论所遇到的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量质相互作用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题，特别是随波长分布的问题，特别是18871887年赫兹发现的光电年赫兹发现的光电效应。效应。普朗克：普朗克：19001900年提出量

10、子假说，认为各种频率的电年提出量子假说，认为各种频率的电磁波（包括光），只能像微粒似得以一定最小份的磁波（包括光），只能像微粒似得以一定最小份的能量发生（它称为能量子，正比于频率），成功的能量发生（它称为能量子，正比于频率），成功的解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期。解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期。爱因斯坦：爱因斯坦：19051905年发展了普朗克的能量子假说，把年发展了普朗克的能量子假说，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，建立了他的量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，建立了他的“光子学说光子学说”。他认为光波的能量是。他认为光波的能量是“量子化量子化”的，的，辐射能量是由许多分立

11、能量元组成，这种能量元称辐射能量是由许多分立能量元组成，这种能量元称为为“光子光子”。“光子光子”不同于牛顿微粒说中的粒子，不同于牛顿微粒说中的粒子，“光子光子”是和光的频率相联系的，光同时具有微粒是和光的频率相联系的，光同时具有微粒和波动两种特性。和波动两种特性。光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。波粒二象光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。波粒二象性是光的属性，反映了性是光的属性，反映了“光光”这个统一物两个矛盾着的侧这个统一物两个矛盾着的侧面，在某些情况下，它主要表现为波动性，而在另外一些面，在某些情况下，它主要表现为波动性，而在另外一些情况下，它又主要表现为粒子性。例如，光

12、在传播过程中，情况下，它又主要表现为粒子性。例如，光在传播过程中，主要表现它的波动性，但当光与物质相互作用发生能量交主要表现它的波动性，但当光与物质相互作用发生能量交换时就突出的显示出它的粒子性。换时就突出的显示出它的粒子性。有关光的一些基本概念有关光的一些基本概念 【光【光】严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围约在紫光的在紫光的0.380.38微米到红光的微米到红光的0.780.78微米之间。微米之间。 波长在波长在0.780.78微米以上到微

13、米以上到10001000微米左右的电磁波称为微米左右的电磁波称为“红红外线外线”。在。在0.380.38微米以下到微米以下到0.010.01微米左右的称为微米左右的称为“紫外紫外线线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X X射射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁波谱中的一部线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁波谱中的一部分。分。 【光源【

14、光源】物理学上指能发出一定波长范围的电物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线和磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X X光线等不光线等不可见光）的物体可见光）的物体; ;通常指能发出可见光的发光体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自身能发光者，称作光源，又称发光体，如凡物体自身能发光者，称作光源，又称发光体，如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到它们，这样的反射物体不能称为光源。光源主要到它们，这样的反射物体不能称为光源。光源主

15、要可分为：热辐射光源，例如太阳、白炽灯、炭精灯可分为：热辐射光源，例如太阳、白炽灯、炭精灯等；气体放电光源，例如水银灯、荧光灯等；激光等；气体放电光源，例如水银灯、荧光灯等；激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色性好的特点。相干性优越和单色性好的特点。 【光速【光速】一般指光在真空中的传播速度，它的特征是：一般指光在真空中的传播速度，它的特征是： （1 1） 一切电磁辐射在真空中传播的速率相同，且与辐一切电磁辐射在真空中传播的速率相同，且与辐射的频率无关；射的频率无关； （2 2）无论真空中还是其它物质媒质中，无论用什么方）

16、无论真空中还是其它物质媒质中，无论用什么方法也不能使一个信号以大于光速法也不能使一个信号以大于光速C C的速率传播；的速率传播； （3 3）真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果）真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为C=2.99793X10C=2.99793X108 8米米/ /秒，那么，在相对此参照系以速度秒，那么，在相对此参照系以速度v v平行平行于光信号运动的另一个伽利略参照系中，所观测到的光信于光信号运动的另一个伽利略参照系中，所观测到的光信号速率一定也是号速率一定也是C C，而不是，而不是C

17、+vC+v（或（或C-vC-v），这就是相对论的），这就是相对论的基础；基础； （4 4） 光在真空中的速度为光在真空中的速度为C C，在其它媒质中，光的速，在其它媒质中，光的速度均小于度均小于C C，且随媒质的性质和光波的波长而不同。，且随媒质的性质和光波的波长而不同。 【色散【色散】复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为称之为“色散色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统色散系统”的仪器来实现。的仪器来实现。 【光谱【光谱】 复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散

18、开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。的图案。 各种色光依一定顺序排列而成的光带叫做光谱各种色光依一定顺序排列而成的光带叫做光谱。最基本。最基本的光谱有二种：一种是太阳光那样的从红到紫所有色光的的光谱有二种：一种是太阳光那样的从红到紫所有色光的光谱，各种色光紧密排列，中间没有界线，这种光谱就称光谱，各种色光紧密排列，中间没有界线，这种光谱就称为为连续光谱连续光谱。另一种是像汞灯那样的光谱，在从红到紫的。另一种是像汞灯那样的光谱，在从红到紫的波长区域内，只有几根彩色的亮线，这种光谱称为波长区域内，只有几根彩色的亮线，这种光谱称为线光谱。

19、线光谱。 【光的颜色光的颜色】 波长在波长在0.40.4微米左右的光呈微米左右的光呈紫色紫色，随着波长的增加，依次呈现随着波长的增加，依次呈现蓝蓝、青青、绿绿、黄黄、橙橙、红红各色。波长大于各色。波长大于0.780.78微米的光，因为在红光的外微米的光，因为在红光的外端，所以称为红外光。同样，波长短于端，所以称为红外光。同样，波长短于0.380.38微米的微米的光由于处在紫光外端，也就称为紫外光。紫外光和光由于处在紫光外端，也就称为紫外光。紫外光和红外光虽然不能为眼睛所感觉，但对眼睛还是有作红外光虽然不能为眼睛所感觉，但对眼睛还是有作用的，过量的紫外光和红外光对人眼都有损害作用，用的，过量的紫

20、外光和红外光对人眼都有损害作用，我们应该注意适当的防护。我们应该注意适当的防护。 严格来说，不同波长所反映的颜色应该是不同的，所严格来说，不同波长所反映的颜色应该是不同的，所以用波长来鉴别光波比用颜色来鉴别光波更为科学而且定以用波长来鉴别光波比用颜色来鉴别光波更为科学而且定量。量。 显然，白光是一种复色光，但复色光并不一定显然，白光是一种复色光，但复色光并不一定是白光。严格来说，单色光是指只含有一种波长的是白光。严格来说，单色光是指只含有一种波长的光，但实际上是不可能的，它总包含有一定的波长光，但实际上是不可能的，它总包含有一定的波长范围。范围。 如果一种颜色的光再不能分解为其它颜色的光，如果

21、一种颜色的光再不能分解为其它颜色的光，这种光称为这种光称为单色光单色光。而由单色光合成的光则称为。而由单色光合成的光则称为复复色光色光。光度学与辐射度学光度学与辐射度学 光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标辐射能从目标( (辐射源辐射源) )发出后经过中间介质、光发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。标。 辐射度学辐射度学 辐射度学研究光辐射在产生、传输和探测时辐射度学研究光辐射在产生

22、、传输和探测时所涉及的许多辐射量的度量。所涉及的许多辐射量的度量。e: , PWe一种以电磁波的形式发射、传播或接收的功率， 单位瓦特即单位时间通过辐射通量（某一截面的辐射功率 ）辐射能。: JeQ一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能 量，单位焦耳辐射能eedQdt :eI-1点辐射源在给定方向上通过单位立体角内 的辐射通量,单位瓦每球面度 W sr辐射强度。eedId22sin(sin)dArd rddd drr :eE-2 单位受照面接受的辐射通量，单位瓦每平方米辐射W m 。照 度 eedEdA:eM-2 面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，单位瓦每平方米W m辐射。出射 度 eedMd

23、S:eL-1-2辐射表面一点处的面源在给定方向上的辐射强度除以该面源在垂直于给定方向平面上的正投影面积，单位瓦每球面度 辐射亮度平方米W srm 。 2coseedLdSd名称符号定义方程单位符号辐射能Qe焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度e瓦特球面度Wsr-1辐射亮度e 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度e瓦特平方米Wm-2辐射照度e瓦特平方米Wm-2/ewdQdveePw/eedQdt /eeIdd 2/coseeLdddS/cosedIdS/eeMddS/eeEddA 基本辐射度量的名称、符号和定义光度学光度学 光度学研究对可见光的能量的计算，它

24、使用光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。 不同颜色的可见光，不仅颜色感觉不同，而不同颜色的可见光，不仅颜色感觉不同，而亮度感觉也不同。亮度感觉也不同。 如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则会发现：波长为会发现：波长为555纳米的光看上去最亮，黄光和纳米的光看上去最亮，黄光和青光较亮，而红光和紫光较弱。这就是说人眼对黄青光较亮，而红光和紫光较弱。这就是说人眼对黄绿色光最灵敏，对黄、青光较灵敏，而对红、紫光绿色光最灵敏，对黄、青光较灵敏，而对红、紫光不灵敏。不灵敏。

25、 人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来，人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来，如图所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我如图所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我们通常把它叫做们通常把它叫做视见函数曲线视见函数曲线V ()。 实线：实线：为视线较亮时测得为视线较亮时测得的，称为明视见曲线的，称为明视见曲线虚线：虚线：为视线较暗时测得为视线较暗时测得的，称为暗视见曲线的，称为暗视见曲线所有光度计量均以明所有光度计量均以明视觉为基础视觉为基础: v将辐射通量以视见函数为权重因子 折合成对眼睛的有效数量,单位流明光通量lm。( )veCV 683 lm/ W C 比列常数名称符号定义方程单位符号光量

26、Qv光通量对时间积分流明秒lm s光通量流明lm发光强度v坎德拉cd亮度v 坎德拉平方米cdm-2 光出射度v流明平方米lmm-2照度v勒克斯lxv( )vevCVI d /vvIdd 2/cosvvLddSd/cosvdIdS/vvMddS/vvEddA 光度学度量的名称、符号和定义 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e（emission），光度量下标为v（visibility)。 光度量只在可见光区（nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。 晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室

27、内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50-60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx辐射通量的光谱分布与接收器的光谱响应辐射通量的光谱分布与接收器的光谱响应 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。下图为某辐射通量的连续分布曲线。 辐射通量的光谱分布曲线辐射通量的光谱分布曲线 给定波长0处极小波长间隔d内的辐射通量de称为单色辐通量。 e=de/de称为光

28、谱辐通量。 0eed 此式中e称为全色辐通量。 单色辐通量的积分为21eed 此式中e称为多色辐通量。 许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即K()=v/e V()=K()/Km 由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K()最大，记以Km，Km = 683lmW-1。对于某给定波长下的Km，定义光谱光视效率V()为半导体基础知识导体、半导体和绝缘体导体、

29、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，按物质形态分为气体、液自然存在的各种物质，按物质形态分为气体、液体、固体。体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。者之间的半导体。 电阻率电阻率1010-6-6 1010-3-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体 电阻率电阻率10101212欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体的特性（1 1）热敏性热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例

30、如系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（纯锗（GeGe），温度每升高），温度每升高1010度，其电阻率就会减少度，其电阻率就会减少到原来的一半。到原来的一半。 （2 2）光电特性光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。千欧。 （3）搀杂特性搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但

31、掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为2141000欧姆厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆厘米。 固体能带理论固体能带理论1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。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

32、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。 电子共有化，能级扩展为能带示意图电子共有化，能级扩展为能带示意图a) 单个原子 b) N个原子 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带

33、。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带（Conduction Band）：比价带能量更高的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子(carrier)。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。 半导体Si

34、的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-31012cm。 金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可在金属中自由运动，导电性好，电阻率10-610-3cm。 绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012cm。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属2 2本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体 现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列）晶体分为单晶与多晶。 晶体：晶体：单晶在一

35、块材料中，原子全部作有规则的周期排列。 多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。 晶体实物图晶体实物图晶体构造示意图晶体构造示意图(a) 金刚石结构（Ge、Si晶体） (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体） 结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，室温下硅的ni约为1010/cm3。 本征半导体：本征半导体： 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很

36、大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。 杂质半导体：杂质半导体： 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。 N N型半导体型半导体 ：N N型半导体型半导体（杂

37、质硅的原子图象和能带图） 在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。 P P型半导体型半导体 ：P P型半导体型半导体（杂质硅的原子图象和能带图）N型半导体与P型半导体的比较

38、半导体所掺杂质多数载流子（多子）少数载流子（少子）特性N型施主杂质电子空穴电子浓度nn空穴浓度pnP型受主杂质空穴电子电子浓度np空穴浓度pp掺杂对半导体导电性能的影响： 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。热平衡态下的载流子热平衡态下的载流子 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子

39、，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。 热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。 根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。 在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即()1( )1FE EkTf Eef(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：

40、绝对温度EF：费米能级费米费米-狄拉克函数曲线狄拉克函数曲线 EF为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。当E=EF时，f(E)=1/2，它并不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。在量子统计中EF应视为固体中电子的化学势。常温下EF随材料掺杂程度而变化。 以以E EF F来定性表示两能带中载流子的浓度来定性表示两能带中载流子的浓度a) 重掺杂P型 b) 轻掺杂P型 c) 本征型d) 轻掺杂N型 e) 重掺杂N型半导体对光的吸收半导体对光的吸收 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

41、吸收定律： 0(1)xxIIr eIx：距离表面x远处的光强I0：入射光强r：材料表面的反射率：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收 本征吸收: 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴。这种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即 ghE从而有0gEh01.24V/gghcm eEE h：普朗克常数（6.626X10-34Js) c：光速(3.0X108ms-1)0：材料的频率阈

42、值0：材料的波长阈值电子电量：1e=1.6X10-19库伦几种重要半导体材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值材料 温度/K Eg /eV /m 材料 温度/K Eg /eV /mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs 3001.350.92Si2901.091.1GaP3002.240.55PbS2950.432.9非本征吸收： 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。 1) 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外

43、区。 2) 自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。 3) 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集于本征吸收波长阈值的红外一侧。 4) 晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。 大量实验证明这种价带电子跃迁的本征吸

44、收是半导体中最重要的吸收，也是光电探测器工作的理论基础。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长大于1.15m的可见光透明。 非平衡态下的载流子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。 1 1产生与复合产生

45、与复合 使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。 使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。 N型半导体，在非平衡状态下载流子浓度为 000000nnnnnnnpppnp 00:NN:nnnnnnnpnpnp型半导体中多数载流子电子的浓度: 型半导体中少数载流子空穴的浓度光照前一定温度下热平衡时电子的浓度光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度非平衡载流子电子的浓度非平衡载流子空穴的浓度光注入分为强光注入与弱光注入：满足2000nnnninnnn pn pnnnP 条件的注入称为强光注入；满足200

46、0nnnninnnn pn pnnnP 条件的注入称为弱光注入。对于弱光注入 0000nnnnnnnnnnnnpppp 此时受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为。例如：一N型硅片，室温下，nn0=5.51015cm-3，pn0=3.5104cm-3；弱光注入下，n =p=1010cm-3，此时非平衡载流子浓度 nn=nn0+nn=1015+10101015cm-3 pn=pn0+pn=104+10101010cm-3 在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合率也随非平衡载流子的增加而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。当

47、光照停止，光致产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大于产生率，使非平衡载流子浓度逐渐减少，复合率随之下降，直至复合率等于热致的产生率时，非平衡载流子浓度将为零，系统恢复热平衡状态。 2 2复合与非平衡载流子寿命复合与非平衡载流子寿命 复合是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。 非平衡载流子寿命：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。

48、通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。通过复合中心进行的复合通过复合中心进行的复合- -产生过程产生过程1电子俘获 2空穴俘获 3电子发射 4空穴发射 表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。载流子的输运载流子的输运扩散与漂移扩散与漂移 电子在晶体中的运动与气体分子的热运动类似。当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。

49、一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。 1 1漂移漂移 载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。 在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律。在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。 漂移运动的重要参量 迁移率（电子迁移率n，空穴迁移率p）: 单位电场强度作用下载流子所获得的平均漂移速度。的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。 欧姆定律： : : : jEjE电流密度材料电导率电场强度 : : : jnqvnqv（电流密度定义）电子浓度电

50、子电量电子漂移平均速度nvEEnq表明电子漂移的平均速度与场强成正比。电场中电子的加速度 *qEamm*：电子有效质量，考虑了晶格对电子运动的影响并对电子静止质量进行修正后得到的值。 在漂移运动中，因电子与晶格碰撞发生散射，故每次碰撞后漂移速度降到零。如两次碰撞之间的平均时间为tc，则经tc后载流子的速度*cccqtqEva ttEmm* cqtm表明与tc、m*有关。 在同一种半导体中，因电子与空穴运动状态不同，m*各不相同，故p、n不同。 同一种载流子在导电类型不同的半导体中，因浓度不同，平均自由程不同，tc也不同，故也不同。半导体中杂质浓度增加时，载流子碰撞机会增多，tc减小，将随之减小

51、。2 2扩散扩散 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。 光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。 光注入，非平衡载光注入，非平衡载流子扩散示意图流子扩散示意图 扩散流面密度j与浓度梯度dN(x)/dx成正比： ( )dN xjDdx D为扩散系数，表征非平衡载流子扩散能力。负号表示扩散流方向与浓度梯度方向相反。因此下列关系式成立： ( )( )( )()xxxdN xdN xN xxDDdxdx ：非平衡载流子平均寿命 非平衡载流子沿x轴分

52、布是在边扩散边复合中形成的，定态下，N(x)分布稳定，单位时间内复合的非平衡载流子数必然要靠净扩散流补偿。 上式两边同除以x， 并对等号左边取x0极限得扩散方程： 22( )( )d N xN xdxD利用边界条件x=0,N(x)=N0；x=,N(x)=0，得0( )xLN xN e L=(D)1/2称为扩散长度，表示N(x)减小到的N0的1/e时所对应的距离x。光生的非平衡载流子复合有先后，在复合前扩散的距离有远近之分，从而形成N(x)分布曲线。L表示非平衡载流子复合前在半导体中扩散的平均深度。 在扩散与漂移同时存在（半导体既受光照，又外加电场时）的情况下，扩散系数D（D表示扩散的难易）与迁

53、移率（表示迁移的快慢）之间有爱因斯坦关系式： kTDq2322119300K0.026V1.38X10,1.6X10)kTqkmkg sKqC为比例系数，室温（）下为（ 电子与空穴沿x轴扩散，但DnDp，故它们引起的扩散流不能抵消。在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献；在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。 光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应 本世纪最伟大

54、的科学家之一本世纪最伟大的科学家之一爱因斯坦爱因斯坦以他在以他在19051905年发年发表的相对论而闻名于世，而他在表的相对论而闻名于世，而他在19211921年获得诺贝尔奖是由年获得诺贝尔奖是由于他对发现光电效应的贡献。于他对发现光电效应的贡献。 外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体内。 内光电效应包括： 光电导效应和光生伏特效应1. 光电导效应光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起

55、载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 稳态光电导稳态光电导 半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。 本征半导体光电导效应图暗态下： , dddddGA LIG UAU L亮态下： 11111, GA LIGUAU L11()pddGGGA LA L 亮态与暗态之差： 11()pddIIIGGUAU L :ALIUG半导体材料横截面面积半导体材料长度电流外加电压电导电导率光致电导率的变化量下标d电表暗，l代表亮，p代表光。光电导驰豫过程光电

56、导驰豫过程 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时间的。同样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。 对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值1-1/e时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到1/e时所需的时间。 矩形脉冲光照弛豫过程图11-1/e1/e 当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度（对应于输出光电流）与光功率频率变化的关系，是一个低通特性，说明光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应： 0201 ():2:nnnf 中频时非平衡载流子浓度圆频率，非平衡

57、载流子平均寿命，在这里称时间常数正弦光照弛豫过程图正弦光照弛豫过程图0,212nf1可见 n随 增加而减小，当 =时， n=称此时为上限截止频率或带宽光电增益与带宽之积为一常数：(11(pnnpnpMftttt1+)21=+)=常数2 表明材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的：材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料带宽宽，则光电灵敏度低。此结论对光电效应现象有普遍性。式中为量子产额；tn、tp为载流子在光电导两极间的渡越时间。2. 光伏效应光伏效应 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

58、。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。热平衡态下的热平衡态下的P-NP-N结结 1）P-N结的形成： 同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量E很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差

59、，故彼此要向对方扩散。 设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。 同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。 在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。正向电流：00qU kTDII eI 00 00 0UU

60、U迅速增大当当当反向饱和电流I0：少数载流子在内建电场作 用下漂移形成的。 2）P-N结能带与接触电势差： 在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、E之间的关系与结形成前状态相同。 从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。 当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。 在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。 在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲

61、，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：DFNFPqUEE FNFPDEEUq: :DqU（电子电量，接触电势差或内建电势）对于在耗尽区以外的状态 2 lnADDiN NkTUqnNA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。 可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。 热平衡下P-N结模型及能带图光照下的光照下的P-NP-N结结 P-N结光电效应： 光照下光电流的产生动态图光照下光电流的产生动态图 当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收

62、所激发的少数载流子。 因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。 光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。 实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命p的时

63、间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命n的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。 光照下的P-N结电流方程： 与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般IpI0。此时: 00()qUKTpII eII00, ()pqUKTISEII eISE令则E: 照度S：材料的光电灵敏度开路电压Uoc： 光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述

64、电流方程中I=0时的U值： 000lnlnOCSEIKTKTSEUqIqI短路电流Isc： 光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。 Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。 不同状态下P-N结的能带图 a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。 b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc,不再有统一费米能级，势垒

65、高度为q(UD-Uoc)。 c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。 d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。3. 光电发射效应（外光电效应）光电发射效应（外光电效应） 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 外光电效应的两个基本定律外光电效应的两个基本定律1光电发射第一定律斯托列托夫定律：

66、当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比，即 0kkIS FIk：光电流Sk：光强F0：该阴极对入射光线的灵敏度2光电发射第二定律爱因斯坦定律： 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关，即 2maxmax012EmVhhhAEmax：光电子的最大初动能。h： 普朗克常数。0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。A： 金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位eV，与材料有关的常数，也称功函数。光电发射定律解释图 入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。 波长阈值：001.24() 1.240()ChCm eVAAAm 当入射光波长大于0时，不论光强如何，以及照射时间多长，都不会有光电子产生。 最短波长的可见光（380nm）在表面逸出功（也称功函数）不超过3.2eV的阴极材料中能够产生光电发射；而最长波长的可见光（780nm）则只有在功函数低于1.6eV的阴极材料中才能产生光电发射。光电发射的基本过程光电发射大致可分三个过程： 1) 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃