第5章光电材料剖析.pptx

第五章 光电材料 ;教学重点和难点;5.1 光电材料原理 ;（一）光-电子能转换效应 当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能（E结合）和给予电子运动速度（v）。依能量守恒原理，可以得到下式：;图5－1 能带结构图 ;χ为导带底到静止自由电子能级差， 即是电子亲和势，χ=Ee-Ec； Ee为静止自由电子能级，即导带顶端能级； Ec为导带底端能级； Eg为禁带宽度，Eg=Ec-Ev； Ev为价带顶端能级； Φ为费米能级到静止自由电子能级的能量差，也即是逸出功，Φ=Ee-EF； EF为费米能级； δ为价带顶端到费米能级的能量差，δ=EF-Ev。 E结合=Χ+Eg=Ee-Ec+Ec-Ev=Ee-Ev=Ee-EF+EF-Ev =Φ+δ;（a）对于金属来说，因为金属没有禁带，所以导带和价带重叠，δ趋近于零，因而 E结合=χ+Eg=Φ+δ=χ=Φ E结合主要取决于Φ的大小。Φ的大小一般在1~1.5eV之间。逸出功等于电子亲和势，因此，只要克服电子亲和势，电子便可逸出。 （b）对于半导体，价电子逸出体外的条件是价电子吸收光子的能量以后，从价带跃迁到导带，然后再向表面扩散，它的能量如果大于χ +Eg时，则电子可以逸出体外。能量大于Eg的电子（只有处于导带上的电子）称为热电子。 E结合主要取决于χ与Eg之和。但是，对于热电子来说，电子逸出只要克服χ 。 χ为正时称为正电子亲和势。 χ为负时，称为负电子亲和势。; 二、光电子发射材料的种类 1、正电子亲和势阴极材料（ χ 0） 这类材料有单碱-锑正电子亲和势阴极材料，多碱-锑正电子亲和势阴极材料等。 2、负电子亲和势阴极材料（ χ 0） 这些材料包括硅、磷化镓、铟化砷镓、磷化砷镓铟。 三、光电子发射材料的应用 利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料做成光电阴极。半导体负电子亲和势阴极广泛地用于仪器，工业，军事等方面，与过去的多碱光阴极相比有很大的优越性。 ;5.1.2 光电导材料 ;按光电导原理也可以反过来了解禁带宽度。当光的能量增加到一定值时，光电导急剧上升，此时的光频v与禁带宽度的关系为Eg= hν。 光电导这种附加的电导来自附加的载流子，这种载流子可以来自带间跃迁，也可以来自杂质激发???因此，光电导有本征光电导和杂质光电导之分。 附加光电导 Δσ=σ-σ0 式中：σ为光照时的电导率；σ0为无光照时的电导率。 因此，要制成较灵敏的光敏电阻，要求Δσ/σ0有较大的值。 ;三、光电导材料的种类 光电导材料可分为三大类： 1、光电导半导体:ZnO 2、光电导陶瓷:CdS 3、有机高分子光导体:PNVC 四、光电导材料的应用 光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效应的原理，它常用作光探测的光敏感器件的材料。 ;5.1.3 光电动势材料 ;一、光电动势原理 （一）半导体p-n结的电子-空穴情况 如果像图5-3那样，一个n型半导体与一个p型半导体接触，将会在结的p侧存在自由空穴以及相等浓度的（－）电离受主杂质原子，这样才能保持电中性。在结的n侧存在自由电子以及相等数目的（＋）电离施主杂质原子。;于是在p侧多数载流子为空穴，在n侧则相反，多数载流子为电子，这种情况如图5－4所示。 由图5－4可见，在无外加电场时，结区的空穴浓度和电子浓度的变化。载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡，因此，在晶体中各处空穴浓度与电子浓度之和为常值，符合质量作用规律。;在每侧都存在低浓度的少数载流子，与多数载流子处于热平衡。聚集在p侧的空穴倾向于通过扩散均匀地分布满整个晶体，电子倾向于从n侧扩散出去。但是扩散会破坏电中性。一旦发生载流子扩散就必将引起少量电荷转移，因而在p侧留下过量（－）电离受主原子，而在n侧留下过量（＋）电离施主原子，如图5－5所示。; 由此产生的电荷偶极层就会出现一个自n区指向p区的电场，阻止继续扩散，维持两种载流子类型的分离。这种在p－n结区附近由受主（－）离子与施主（＋）离子产生的静电势梯度阻止扩散。这种p－n结区电场称为内建电场。 由于存在这种偶极层，晶体内的静电势在p－n结区就出现一个突变。在偶极层中，正电层和负电层中的电子和空穴的数目都是很少的，因此它的电阻很高，这一层称为阻挡层，阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。有了阻挡层才能使扩散达到平衡。 尽管有内建电场存在，但是在整个p－n结中没有剩余的空穴和电子，因此p－n结中并无外场电动势，外电场为零。 ;（二）光生电动势的产生 对于上述情况，如果光照射到p－n结的接触面时，情况就大不一样，这时p－n结能够吸收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。又由于有内建电场的存在，受到内建电场的作用，空穴将向p区移动而