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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。
束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。
电子可以吸收光子跃迁到导带能级；光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的光电导。
复合和陷阱效应对光电导的影响少数载流子陷阱作用多数载流子陷阱作用本征光电导的光谱分布指对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。
杂质光电导对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。
4半导体的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。
这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
pn结的光生伏特效应由于pn结势垒区内存在较强的内建场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。
光电池的电流电压特性5半导体发光1.处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量。
也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。
这就是半导体的发光现象。
2.产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。
3.发光过程：电致发光（场致发光）、光致发光和阴极发光。
其中电致发光是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。
辐射跃迁从高能态到低能态：1.有杂质或缺陷参与的跃迁2.带与带之间的跃迁3.热载流子在带内跃迁上面提到，电子从高能级向较低能级跃迁时，必须释放一定的能量。
如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。
光电效应原理光电效应是指当金属或半导体表面受到光照射时，会产生电子的释放现象。
这一现象在现代物理学中具有重要的意义，不仅为光电器件的应用提供了理论基础，也对光子的本质和光的粒子性质提供了重要的实验依据。
光电效应的基本原理可以用经典物理学和量子物理学两种理论来解释。
在经典物理学中，光被看作是一种波动，当光照射到金属表面时，光的能量被传递给金属中的自由电子，从而使得电子获得足够的能量跳出金属表面，形成电流。
而在量子物理学中，光被看作是由光子组成的粒子，光子的能量与光的频率成正比，当光子的能量大于金属的功函数时，光子会将其能量转移给金属中的电子，使得电子跳出金属表面。
无论是经典物理学还是量子物理学，光电效应的基本原理都可以用以下公式来描述：E = hf φ。
其中，E为光子的能量，h为普朗克常数，f为光的频率，φ为金属的功函数。
当光子的能量大于金属的功函数时，光电效应就会发生。
光电效应的实验结果表明，光电流的大小与光的强度成正比，与光的频率无关。
这一结果与经典物理学的波动理论相悖，但却与量子物理学的粒子理论相吻合。
这也为量子物理学的发展提供了重要的实验依据。
光电效应在现代科技中有着广泛的应用。
光电效应的发现为光电器件的发展提供了理论基础，如光电池、光电二极管等，这些器件在太阳能利用、光通信、光电显示等领域都有着重要的应用。
此外，光电效应的研究也为量子物理学的发展提供了重要的实验依据，对于人类对光和物质本质的认识具有深远的意义。
总之，光电效应作为现代物理学中的重要现象，不仅为光电器件的应用提供了理论基础，也为量子物理学的发展提供了重要的实验依据。
光电效应的研究不仅有着重要的科学意义，也有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，相信光电效应在未来会有更广泛的应用和更深入的研究。
半导体的光学性质如果用适当波长的光照射半导体,那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。
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：()01x x I I r e α-=-式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关.1 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，这种吸收过程叫本征吸收.要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律,也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度g E ,即g h E ν≥，从而有：00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥⇒≤=⋅其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。
几种重要半导体材料的波长阈值电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。
隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带,同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。
光发射现象有许多的应用,如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的,只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。
发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP 晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1。
5μm ）激光器则是由Ga x In 1-x As 或Ga x In 1-x As y P 1—y 合金制成的。
2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.2.1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。
半导体的光电效应
半导体的光电效应是指当光线照射到半导体材料上时，会产生电子和空穴的对应数量的载流子，从而产生电流的现象。
这种现象是半导体材料的重要特性之一，也是现代电子技术中广泛应用的基础。
半导体的光电效应是由光子与半导体材料中的电子和空穴相互作用而产生的。
当光子能量与半导体材料中的电子能级相匹配时，光子会被吸收，电子会被激发到导带中，形成自由电子，同时在价带中留下一个空穴。
这些自由电子和空穴可以在半导体中自由移动，从而形成电流。
半导体的光电效应在现代电子技术中有着广泛的应用。
例如，太阳能电池就是利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能的装置。
太阳能电池的工作原理就是将太阳光照射到半导体材料上，产生电子和空穴，从而形成电流。
此外，半导体激光器、光电传感器、光通信等领域也都是利用半导体的光电效应实现的。
半导体的光电效应还有一些特殊的应用。
例如，光电二极管就是一种利用半导体的光电效应制成的器件。
光电二极管可以将光信号转化为电信号，广泛应用于光通信、光电测量等领域。
此外，半导体的光电效应还可以用于制作光电晶体管、光电场效应晶体管等器件，这些器件在光电子学、光电计算等领域有着广泛的应用。
半导体的光电效应是现代电子技术中不可或缺的一部分。
它不仅是
太阳能电池、光电二极管等器件的基础，还为光通信、光电测量等领域的发展提供了重要的支持。
随着科技的不断进步，半导体的光电效应还将有更广泛的应用前景。
半导体物理考试大纲第一部分：半导体中的电子状态一．理解下列基本概念能级，能级简并化，共有化运动，能带（导带，价带，满带，空带），禁带，有效质量，纵向（横向）有效质量，k空间等能面，本征半导体，本征激发，空穴（重空穴，轻空穴），载流子。
二．分析掌握下列基本问题1．能带的特点，能带的杂化，能带的描述。
2．导体，半导体，绝缘体能带结构的区别。
3．本征半导体的导电原理。
4．Si，Ge，GaAs能带结构的异同点。
第二部分：半导体中杂质和缺陷能级一．理解下列基本概念杂质，替位式杂质，间隙式杂质，杂质能级施主杂质，施主能级，正电中心，施主电离，电离能，n型半导体受主杂质，受主能级，负电中心，受主电离，P型半导体浅能级杂质，深能级杂质，杂质补偿，中性杂质二．分析掌握下列基本问题1．N型半导体和p型半导体的导电原理2．某些杂质在半导体中产生若干个能级的原理3．杂质的补偿原理及其利弊4．位错在Si（Ge）中起施主或受主作用的原理，及其对Eg的影响第三部分：半导体中载流子的统计分布一．理解下列基本概念热平衡状态，热平衡载流子，费米能级非简化性系统，非简并半导体，简并性系统，简并半导体有效状态密度，状态密度有效质量，多数载流子，少数载流子二．分析掌握下列基本问题1．费米分布函数的性质2．玻氏分布代替费米分布的条件3．导带电子浓度和价带空穴浓度表示式分析推导的思想方法4．杂质半导体EF随杂质浓度变化关系，随温度的变化关系5．载流子浓度随温度的变化关系6．区分半导体载流子出现非简并，弱简并，简并的标准5．各种热平衡状态下半导体电中性条件三．熟识公式并运用1．费米分布函数表示式2．玻氏分布函数表示式3．导带电子浓度，价带空穴浓度表示式4．本征载流子浓度表示式，本征费米能级表示式5．载流子浓度乘积表示式，及其与本征载流子浓度的关系6．饱和电离温度区载流子浓度及EF的表示式（n型和p型半导体）7．过渡温度区载流子浓度表示式（n-s 和p-s）8．简并半导体载流子浓度表示式9．已电离杂质浓度表示式第四部分：半导体的导电性一．理解下列基本概念电流密度，漂移运动，平均漂移速度，迁移率自由时间，平均自由时间，电导有效质量载流子散射，散射几率，格波，声子，弹性散射，非弹性散射热载流子二．分析掌握下列基本问题1．迁移率概念的引进，迁移率简单理论分析的思想方法2．电离杂质散射机理3．迁移率与杂质和温度的关系4．电阻率与杂质和温度的关系5．波尔兹曼方程建立的思想方法6．统计理论分析与简单理论分析得到半导体电导率结果比较7．强电场作用下半导体发生欧姆定律偏离的原因，热载流子产生三．熟识公式并运用1．欧姆定律的微分形式2．电导率表示式（混合型，n型，p型，本征型半导体）3．迁移率表示式4．电离杂质散射和晶格散射几率与温度关系5．电阻率表示式（混合型，n型，p型，本征型半导体）6．波尔兹曼方程表示式7．电导率统计理论的结果表示式第五部分：非平衡载流子一．理解下列基本概念载流子的产生率，复合率，净复合率电子—空穴对的复合几率，半导体非平衡态；非平衡载流子非平衡载流子的复合率，复合几率，积累率准费米能级，非平衡载流子寿命，有效寿命（表观寿命）直接复合，简介复合，表面复合，复合截面，复合中心，复合中心能级陷阱效应，陷阱，陷阱中心扩散系数，扩散长度，扩散速度，牵引长度二．分析掌握下列基本问题1．半导体热平衡态和非平衡态特点的比较2．非平衡载流子的注入与检验的方法的原理3．非平子随时间衰减规律，及其推证思想方法，寿命τ的物理意义4．准费米能级的特点5．复合过程的性质6．直接复合过程分析7．间接复合的特点，间接复合过程的分析8．金在Si中如何起复合中心作用9．表面复合存在的依据及解释10．杂质在半导体中的作用，杂质能级在怎样情况下才有明显的陷阱效应作用，怎样分析最有效的陷阱11．一维稳定扩散的特点，一维稳定扩散的分析思想方法12．爱恩斯坦关系推证的思想方法13．非平载流子既漂移又扩散时的非平子浓度分析14．连续性方程的意义以及具体情况下的求解三．熟识公式并运用1．非平衡载流子随时间衰减规律表示式2．非平衡载流子复合率与非平衡载流子浓度关系表示式3．非平衡导体电子浓度（价带空穴浓度）表示式4．直接复合机构决定的非平衡载流子寿命表示式（大，中，小信号）5．间接复合理论分析得到的非平衡载流子寿命表示式6．连续性方程表示式第六部分：金属和半导体接触一．理解下列基本概念半导体表面，空间电荷区，表面势，表面势垒，表面势垒高度功函数，接触电势垒，接触势垒，高阻区（阻挡层），高电导区（反阻挡层）耗尽层，少子注入，欧姆接触，肖特基势垒二．分析掌握下列基本问题1．外电场作用下半导体表面空间电荷区的形成，表面层电场，电势，电势能的分布及能带图。
半导体的光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，物质会吸收光的能量并产生电子的释放现象。
这一现象在半导体材料中尤为显著，对于现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性能。
它的导电性质可以通过控制光照来实现，这就是光电效应。
半导体的光电效应可以分为两种类型：光电发射和光电流。
光电发射是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被半导体的原子或分子吸收，使得其内部的电子获得足够的能量跃迁到导带中，从而形成电流。
这种现象被广泛应用于光电子器件，如光电二极管、光电倍增管等。
光电发射的特点是其电流与光照强度成正比，且电流随着光照强度增加而增加。
另一种光电效应是光电流。
光电流是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被吸收后产生的电子和空穴对在电场的作用下向两个不同的方向移动，从而形成电流。
光电流的大小与光照强度成正比，但与光电发射不同的是，光电流的大小还与半导体材料的结构和性质有关。
光电流的产生在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用。
半导体的光电效应是由半导体材料的能带结构决定的。
能带是指电子在固体中运动所能具有的能量范围。
在半导体材料中，价带是指电子占据的能量范围，而导带是指电子可以自由移动的能量范围。
当光子的能量大于半导体材料的带隙时，光子的能量可以被半导体材料吸收，使得其内部的电子跃迁到导带中，从而形成电流。
半导体的光电效应不仅在光电子器件中有着广泛的应用，而且在光通信、光储存和光计算等领域也起到了重要的作用。
例如，光纤通信系统中的光电二极管就是利用光电效应将光信号转换为电信号的关键元件之一。
此外，光电效应还可以用于光谱分析、光学测量和光探测等领域。
半导体的光电效应是一项重要的物理现象，它的应用不仅推动了电子技术的发展，而且在光通信、光存储和光计算等领域也起到了关键的作用。
随着科学技术的不断发展，相信光电效应在更多领域将发挥出更大的潜力，为人类带来更多的福祉。
光电效应原理光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，导致电子从材料表面退出的现象。
该现象的发现和研究为量子理论的发展奠定了基础，并在现代物理学和应用中发挥着重要作用。
本文将详细介绍光电效应的原理及其应用。
一、光电效应的原理光电效应的原理可以通过经典物理和量子物理两个角度来解释。
1. 经典物理解释经典物理认为光电效应是由于光的能量向金属表面电子传递时，电子获得足够的能量从金属中解离出来。
根据经典电磁学的理论，光的能量与频率成正比，即光的频率越高，能量越大。
因此，当高频光照射到金属表面时，电子吸收足够的能量后克服金属表面的束缚力，从而产生光电子。
2. 量子物理解释量子物理的解释对光电效应提供了更准确的解释。
根据量子理论，光的能量不是连续的，而是以量子的形式存在，即光子。
当光照射到金属表面时，光子与金属中的电子相互作用，传递出光子的冲量和能量。
如果光子的能量足够大，超过金属中电子的束缚能，光子将被吸收并将电子从金属中释放出来。
二、光电效应的应用由于光电效应具有广泛的应用价值，特别是在光电子学、通信和能源领域，以下是光电效应主要的应用方面：1. 光电池光电池是利用光电效应的工具，将光能直接转化为电能。
通过将光照射到具有光电效应的材料表面，光电池可以产生电流，并将其用于供电或储存能量。
在太阳能领域，光电池作为太阳能电池板的核心部件，成为一种可再生能源的重要转换技术。
2. 光电二极管光电二极管是一种利用光电效应工作的光电子器件，它可以将光能转化为电流。
在通信和传感器领域，光电二极管被广泛应用于光电报警器、红外线检测器、光电开关等设备中。
光电二极管的高反应速度和灵敏度，使其在光信号检测和传输过程中起到重要作用。
3. 光电倍增管光电倍增管是一种根据光电效应原理工作的光电子器件，用于将弱光信号转换为较强的电信号。
光电倍增管的工作过程包括光电效应引起的光电子发射、电子倍增和输出与放大等环节。
它在低光环境下的强光增益特性，使其在夜视仪、光电导航和粒子物理实验等领域得到广泛应用。
