第1章_光电信息技术物理基础(1)

第一章光电信息技术物理基础2013-9-62目录§1.1理论基础§1.1.1能带理论§1.1.2光电发射效应§1.1.3光电导效应§1.1.4光生伏特效应§1.1.5热释电效应§1.2光学基础§1.2.1光的概念与度量§1.2.2光学元器件§1.2.3光调制§1.3电路基础*§1.3.1放大§1.3.2滤波§1.3.3比较§1.3.4采样保持§1.3.5模拟开关2013-9-63§1.1理论基础§1.1.1能带理论§1.1.2光电发射效应§1.1.3光电导效应§1.1.4光生伏特效应§1.1.5热释电效应2013-9-64§1.1理论基础§1.1.1能带理论§1.1.2光电发射效应§1.1.3光电导效应§1.1.4光生伏特效应§1.1.5热释电效应2013-9-65§1.1.1能带理论能带价带、导带、禁带良导体半金属绝缘体半导体本征半导体掺杂半导体N型半导体P型半导体2013-9-66能带能带：现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。当许多原子互相靠近结成固体时，它们的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层，和孤立原子一样；外层价电子的运动就深受干扰，这是由于在固体中的邻近原子所产生的电场而引起的。2013-9-67元素周期表2013-9-68以钠原子(Z=11)为例考虑有一个价电子的各原子，我们可以将这种原子看成是由一个电子和一个正离子所构成的。一个电子(价电子)在Na+离子的电场中运行，该价电子所感受到的势能见下图。该价电子的能量是如水平线所示，依照经典的说法该电子就可以在a和b之间运动。ab单个离子2013-9-69以钠原子(Z=11)为例将二个Na原子放得很近的话，每一个价电子就会受到二个Na+离子的电场影响，它们会在如图所示的势能下运动。对于相等的能量而言，价电子可以在c和d之间运动，所以并不是限于某一个钠离子的。cdb二个离子2013-9-610以钠原子(Z=11)为例如果有一块固体的钠，它是由许许多多钠原子规则地排列在晶体格中而构成，价电子所受到的合成势能如图所示，价电子可以自由地在整个钠原子的晶体格内运动，所以并非局部地限在某一原子处。当一个电子在钠离子的晶体格中运动时，势能随晶体格的周期而作周期性的变化；同时，束缚能高得多的内部电子在原则上保持不受干扰而且局限于它们各自的原子附近。c一排数个离子所引起的库仑位能2013-9-611能带按照原子理论，原子中的电子只有占据某些能级；然而在结晶格中能级改变了，电子能在某些整个能带(见图1.1.1-2)内运动，每一能带是与一个原子的能级相关联的。泡利不相容原理限制能占有某个nl原子能级的电子数，同样这原理也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。1s2s2p3p3s原子能级1s2s2p3s结晶格能带填满未填满图1.1.1-2原子的能限和结晶格中的能带之比较2013-9-612能带考虑相当于钠中的3s原子能级的能带，每个s原子能级至多可以容纳二个电子，所以n个钠原子的结晶格中该3s能带可以容纳2n个电子。然而每个钠原子只有一个3s电子，所以在n个钠原子的结晶格中只会有n个电子在3s能带内，也就是说该能带只填满了一半。1s2s2p3p3s原子能级1s2s2p3s结晶格能带填满未填满图1.1.1-2原子的能限和结晶格中的能带之比较2013-9-613价带、导带、禁带在一般的原子中，内层电子的能级都是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这些内层的能级相对应的能带也是被电子所填满的。在理想的绝对零度下，硅、锗、金刚石等共价键结合的晶体中，从其最内层的电子直到最外边的价电子都正好填满相应的能带。能量最高的是价电子填满的能带称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的能带称为导带。价带与导带之间的区域称为禁带。2013-9-614良导体：钠(Z=11)与1s、2s和2p原子能级对应的能带是完全填满了，但3s能带(每个原子能容纳最多两个电子)仅有一半被填充。在外界电场的作用下，价带内的最上面的电子在不违反不相容原理的情况下获得一些额外的少许能量而到能带内附近许多空的状态去，和无序的热激发明显不同的是受电场激发的电子在与场相反的方向上获得动量，结果在晶体内产生一种集体运动，从而构成电流。1s2s2p3s钠(1s22s22p63s1)晶体能带满带半满带空带3p图1.1.1-3导体内的能带考虑一种具有图1.1.1-3所示能带结构的金属，这种能带结构可能相当于钠(Z=11)的能级。具有如图1.1.1-3所示那样能带结构的物质应为良导体，良导体(也称金属)是那些最高能带未被完全填满的固体。2013-9-615半金属：镁(Z=12)举例而言，考虑镁(Z=12)的情况，镁原子具有组态1s22s22p63s2，因此所有的原子壳层都是填满的，但是第一激发能级3p很接近3s，在固态情况下，镁的3s和3p能带如图1.1.1-4所示。在正常没有重叠情况时，3s能带应该是填满的，而3p能带则是空的，因而镁应为绝缘体。实际上由于最高能带可能发生重叠，所以情况稍复杂一些，事实上对大多数金属或导体而言最上层的能带相重叠是很普通的情形。1s2s2p3s镁(1s22s22p63s2)晶体能带3s电子可分布在3s和3p能带中满带未满带未满带3p能带重叠图1.1.1-4导体中能带的重叠2013-9-616半金属：镁(Z=12)但是由于重叠，3s能带中最上面的电子具有了3p能带中所有的最下面的能量状态，因此有些3s电子就移动而占有一些低的3p能级，直至二个能带的平衡能级建立起来为止。因为由3s和3p二能带所可能有的总能级数是2N+6N=8N，而我们只有2N个电子，所以就有6N个可进入空态。因此镁应为良导体，这与实验事实相符。1s2s2p3s镁(1s22s22p63s2)晶体能带3s电子可分布在3s和3p能带中满带未满带未满带3p能带重叠图1.1.1-4导体中能带的重叠实际上由于最高能带可能发生重叠，所以情况稍复杂一些，事实上对大多数金属或导体而言最上层的能带相重叠是很普通的情形。有一些物质，它们的原子具有满充壳层，但在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，它们成为导体；人们常称这些物质为半金属。2013-9-617绝缘体物质中的最高能带即价带是满的，而且不与下一个全空的能带重叠(见图1.1.1-5)，由于价带的所有状态都被占有，电子的能量被”冻结”，即电子不可能改变它们在能带中的状态而不违背不相容原理。激发一个电子的唯一可能性是把它转移到空的导带中；但这可能需要几个电子伏特的能量，因此，一个外加的电场就无法使价带中的电子加速，因而不能产生净电流。所以这种物质称为绝缘体。1s2s2p3s价带(满)导带(空)3p绝缘体能带能隙较大图1.1.1-5绝缘体中的能带钻石(又称金钢石C)在平衡距离下，最低的能带即价带与上面的空带之间的能隙约为6eV，这可以看作是一相当大的能隙2013-9-618半导体硅和锗，在原子的平衡间距下价带与导带之间的能隙要小得多(在硅中为1.1eV，在锗中为0.7eV)，于是要将价带中最上面的电子激发到导带内时就容易得多了。图1.1.1-6中示出这种情况。当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。图1.1.1-6半导体内的能带价带(满)导带(空)半导体能带能隙较小2013-9-619半导体这有两个结果：在上面的导带中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带，所以电导率随温度而迅速增加。价带(满)导带(空)半导体能带能隙较小图1.1.1-6半导体内的能带2013-9-620本征半导体在硅中，当温度从250K增加到450K时，激发电子的数目增加106倍。因此，半导体是这样一些绝缘体，它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小，因而比较容易用加热方法把电子从价带中激发到导带中。完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。价带(满)导带(空)半导体能带能隙较小图1.1.1-6半导体内的能带2013-9-621掺杂半导体实际上，晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性是由所含的杂质和缺陷决定的。假定我们用另一种物质的原子(在此情况下，这些原子构成杂质)，取代半导体的一些原子，并假定这些杂质原子比半导体的原子具有较多的电子。例如，每个硅或锗原子贡献4个电子给价带，而每个磷或砷原子贡献5个电子给价带，因此，如果我们把若干磷或砷原子加进硅或锗中，则每有一个杂质原子，就有一个额外电子。2013-9-622掺杂半导体：N型半导体这些额外的电子(它们不能被容纳在原来结晶体的价带中)占有恰在导带下方的某些分立的能级；其距离可为十分之几电子伏特(图1.1.1-7a)。这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带。于是，激发电子对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；这种半导体叫做N型半导体。价带(满)导带(空)能隙较小杂质能级图1.1.1-7半导体中的杂质：(a)施主，或n型2013-9-623掺杂半导体：P型半导体相反地，杂质原子可以比半导体原子具有较少的电子。在基质物质为硅和锗的情况下，杂质原子可以是硼或铝，这两种原子都只贡献3个电子。杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶(图1.1.1-7b)。因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空态即空穴。如前面所述，这些电子起着正电子的作用。这种杂质原子叫做受主，这种半导体叫做P型半导体。价带(满)导带(空)能隙较小杂质能级++++图1.1.1-7半导体中的杂质：(b)受主，或p型2013-9-624掺杂半导体为使半导体的电导率产生大的变化，对于每100万个半导体原子，大约有1个杂质原子就足够了。半导体在工业上广泛地用于制作：整流器调制器探测器光电管晶体管大规模集成电路等等。2013-9-625§1.1理论基础§1.1.1能带理论§1.1.2光电发射效应§1.1.3光电导效应§1.1.4光生伏特效应§1.1.5热释电效应2013-9-626§1.1.2光电发射效应光电发射效应光电发射第一定律光电发射第二定律光电发射第三定律光电发射的瞬时性2013-9-627光电发射效应物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应多发生于金属和金属氧化物在光电器件中，基于光电发射效应基础上:光电管光电倍增管某些光电器件2013-9-628光电发射效应1887年赫兹在证明麦克斯韦的电磁波预言实验时偶然发现外光电效应现象。他发现当用紫外光照射放电电极时，放电强度增加。这种效应表示有电子从被照射表面上发射出来。以后，斯托列托夫等人对金属的光电发射进行了大量的研究工作，并归纳出光电发射效应的几个规律。2013-9-629光电发射第一定律当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量ΦK成正比。IK=SKΦK(1.1-1)SK：表征光电发射灵敏度的系数以上关系式是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。2013-9-630光电发射第二定律发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：(1.1-2)其中：h：普朗克恒量（6.626055±0.0000040×10-34J•s）；v：入射光频率；me：光电子的质量；vmax：出射光电子的最大速率；φ0：光电阴极的逸出功。2max12eohmv2013-9-631光电发射第三定律当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限vo，就不会产生光电子发射。在红限处光电子的初速应该为零，因此，金