第一章 光电信息技术物理基础

原子能级和结晶格能带之比较
（4）导体内的能带 以金属钠(Z=11)为例（如图）
空 带
半满带
3p
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 内附近许多空的状态去,形成电
3s
2p 2s
满 带 钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
U
UT
1)
）
当I = 0时，可以确定开路光电压Voc为
式中为Isc短路电流。
光生伏特效应的应用: (1)太阳电池;(2)光电探测 器件。
$1.1.5 热释电效应
热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化， 从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。 此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。 某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表 面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变 化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从 而表现出热释电效应。
（2）杂质的电离能小于禁带宽度。
另外，因杂质原子数目少，所以杂质光电导效应
相对本征光电导来说也微弱得多。
掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图 光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在 本征光电导长波限左边(光子能量小于锗禁带宽度)的某一波长处曲线 迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。
（b）n 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价 杂质元素（如磷、锑、砷等），即构成 N
型半导体(或称电子型半导体)。
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 。

旋度
Az Ay A A Ay Az R ex ( ) ey ( x z ) ez ( ) y z z x x y
梯度的方向就是标量场变化 率最大的方向，其模就是变 化率的最大值。 在给定点，梯度沿任意方向 的投影就是沿这个方向的标 量场的方向导数。
n lim
A dl S
L 0
lim S 0 S
为矢量场在点M 处沿方向 n的环量面密度。 特点：其值与点M 处的方向 n有关。
环量面密度的计算公式
Ax Az Az Ay n ( ) cos(n , x) ( ) cos(n , y ) y z z x Ay Az ( ) cos(n , z ) x y
C 0
（C 是常矢量）
(uC ) u C （u 是标量场） (uF ) u F u F （F 是矢量场） (F G) F G ( F G ) G F F G （矢量场的旋度的散度 恒为零） ( F ) 0 ( u ) 0
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利用积分中值定理：
Ax Az Az Ay [( ) cos(n , x) ( ) cos( n , y ) y z z x Ax ( ) cos(n , z )] S x y M
因此环量面密度为：
Ay
Ax Az Az Ay n ( ) cos(n , x) ( ) cos(n , y ) y z z x Ay Az ( ) cos(n , z ) x y
（1）矢量场的环量 矢量场A沿任一闭合曲线L的积分,称为环量。

M e,s, m 1.309T 5 1015 W·cm-2·μm-1·K-5
2、M 数值随温度升高很快。（M 峰值升高， 维恩曲（线wi下en面）积最增大大发，射M本也领大定）律：
描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式
以上三个定律统称为黑体辐射定律。
意义何在？
第一章光电技术基础
10
例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温度为 36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射 度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长 为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？ （3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发 烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？
1.本征吸收
在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基 本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体 表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带， 进入导带，成为可以自由运动的自由电子。 同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。
第一章光电技术基础
27
显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于
半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸 收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv Eg
（1-69）
由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限
L
hc Eg
1.24 Eg
........(
m)
（0）
只有短于上述波长的入射辐射才能使器件产生
Le,
第一章光电技术基础
（1-54）
15
如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（λ）
它为与波长有关的相对值。 注意短波长和长波长处

图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电 为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义 磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽， 磁波谱 。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无 线电波(10 的宽阔频域。 线电波 2～1025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的 的宽阔频域 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～103m的范围。在这个范围内，只有 的范围。 的范围 在这个范围内，只有0.38～0.78µm的光才能引起 ～ 的光才能引起
π
由上式得到余弦辐射体的 由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的关系为 余弦辐射体
Me Le = π
(1-17)
Mv Lv = π
(1-18)
6. 辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φ 光源所发射的总辐射通量 e与外界提供给光源的 功率P之比称为光源的辐 之比称为光源的辐(射 效率 效率η 功率 之比称为光源的辐 射)效率 e；光源发射的总光 通量Φ 与提供的功率P之比称为发光效率 之比称为发光效率η 通量 v与提供的功率 之比称为发光效率 v。它们分 别为
3. 辐(射)出(射)度和光出(射)度 度和光出(
对有限大小面积A的面光源， 对有限大小面积 的面光源，表面某点处的面元 的面光源 向半球面空间内发射的辐通量dΦ 与该面元面积dA之 向半球面空间内发射的辐通量 e与该面元面积 之 比，定义为辐(射)出(射)度Me，即 定义为辐 射 出 射 度
dΦe Me = dA
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐(射) 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐 射 能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳 。 用符号 表示，其计量单位为焦耳(J)。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分， 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示，其计量单位为流明秒 表示，其计量单位为流明秒(lm·s)。 。