物理效应及其应用-光电效应.ppt
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1、课程名称:物理效应及其应用,物理效应及其应用课程简介,、物理学家们发现了许许多多物理效应,这些效应在科学技术中发挥出极大效益,派生出各种高新技术。、利用同学们已学习过的许多物理学基础知识,结合力、热、电、光、磁、低温、辐射、核物理等物理效应,以及相互之间物理特性的转变,理解各种经典和现代物理效应的机理。、根据原子结构特点、载流子特性、原子能带理论,特别是量子理论分析、解释各种物理效应。尽可能了解现代物理效应的应用背景、后续传感器技术课程的基础。参考书:物理效应及其应用,陈宜生,周佩瑶,冯艳全,天津大学出版社。,第一章光电效应,光电效应:光照射到某些物质上,引起物 质的电性质发生变化的现象。,光
2、具有波粒二相性:在与物质相互作用时,会更明显地表露出它的粒子(即光子特性)特征:,光电效应的本质是光子与电子相互作用的结果。,光子具有一定光谱频率并以普朗克常数为能量单元,对外作用时表现为或被吸收,或改变频率和方向;电子带电粒子的最小单元。在与外界作用时,能量和状态发生变化,从束缚于局域状态转变到比较自由的状态,导致物质电特性的变化。,光电效应分为:外光电效应,内光电效应,第一节外光电效应,年德国物理学家赫兹在实验中发现了一个奇妙的现象:当用紫外光照射它的装置时,电极之间发生火花要容易一些。一年后,霍耳瓦克斯(H.Hallwachs)证明:上述现象是由于出现了带电粒子的缘故。后来人们证实了这种
3、粒子就是电子。,外光电效应由于光照射固体材料从表面激发出电子的现象(或光电发射效应)光电子由光的作用激发出的电子。,第一节外光电效应,将两个金属电极安装在抽成真空的玻璃罩中,两个电极之间串联上直流电源和灵敏电流计。当无光照射时,玻璃罩内阴极和阳极之间的空间无载流子(即自由正负电荷),如果不考虑暗电流,电阻为无穷大,没有电流流过。,一、单电子光电效应,当有光照射阴极时,就有光电子从阴极飞出,在电压作用下,飞向阳极,检流计中便有稳定的电流通过。,年,赫兹的助手勒纳德利用各种频率和强度的光,对光电效应进行了系统的实验研究,发现了三条实验规律:、当一定频率的光照射金属阴极,在阴极与阳极之间有足够的加速
4、电压,光电流正比于光强。、每一种金属各自存在一个足以发生外光电效应的最低频率(红限频率),当照射光的频率 时,不会逸出光电子;当入射光的频率,不管光多么弱都会立刻发射光电子,不存在时间滞后。、光电子从金属表面刚逸出时最大初动能1/2 m,与光的频率有线性关系,与入射光的强度无关。,爱恩斯坦提出的光量子(光子)假说:,“在我看来,如果假定光的能量不连续分布于空间的话,那么,我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其它涉及光的发射与转换的现象的结果。根据这种假设,从一点发出的光线传播时,在不断扩大的空间范围内能量不是连续分布的,而是一个数目有限地局限于空间中的能量量子所组成,
5、他们在运动中并不分解,并且只能整个地被吸收或发射。”,外光电效应方程(又称著名的爱恩斯坦方程):h=1/2 m 02+()其中:为金属逸出功函数。这个方程成功地解释了外光电效应的实验规律和形成机理。,爱恩斯坦认为:一束频率为 的光可以视为一束单个粒子,能量为h 的光子流,h为普朗克常数。在光与物质相互作用时,就是这些光子与物质微粒之间的事情了。,逸出功:自由电子逃逸出金属表面所需的最小能量,需要对电子所作的最小的功。,飞来的光子是一个个能量为h 的小能量包,当它与电子碰撞并为电子所吸收时,电子获得光子的能量,一部分用于克服金属的束缚,开销于逸出功,余下的能量便转成了外逸光电子的初动能m02。既
6、然光子与电子之间的相互作用是一一对应的,光电子瞬息即发也就顺理成章。这也是外光电效应存在红限频率0的道理所作,不同的金属逸出功不同,红限频率也就不同.,图(b)直观地表示光电子的初动能与光的频率成直线关系,直线与频率轴的交点对应红限频率,直线的斜率是普朗克常数。密立根花了年的时间,验证了爱恩斯坦方程,并准确地测出了普朗克常数,宣告光子的存在是无可置疑的。,应用实例:光电倍增管,当光照射在光电阴极上时,发射的光电子在电场作用下,经加速后轰击第一阳极。一个入射电子将从次阴极轰击出多个次极电子,这称为二次电子发射效应。次极电子又经过电场加速,轰击下一个阴极,产生更多的次极电子。如此继续下去,最终可使
7、电流放大倍以上到达阳极。,二、多电子光电效应,年等人用激光作光电发射实验时,发现了与爱恩斯坦方程偏离的奇异光发射。年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的1.48eV的光子照射逸出功的钠时,,发现光电流与光强的平方成正比。于是,人们设想光子之间进行了“合作”,两个光子同时被电子吸收,得以越过表面势垒,该种现象称为双光子光电发射。,后来,进一步的实验表明,可以三个、多个、甚至个光子同时被电子吸收而发射光电子,称为多电子光电发射。人们推断:n个光电子发射过程的光电流似乎应与光强的次方成正比。,第二节 光 电 导 效 应,物质被光照射时无电子发射,但电导率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效
8、应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。(光电导效应在光电子技术课程中细述)。,第三节 光 生 伏 特 效 应,光生伏特效应:半导体受光照射产生电动势的现象。光电导效应是以光作为动力,使束缚电子成为自由电子,形成电子空穴对,从而改变了材料的载流子浓度,导致电导率发生变化。,要在光的照射下产生电动势,还需要一种将正、负载流子在空间上分离开来的机制。根据产生电位差时载流子分离机理的不同,光生伏特效应又分为丹倍(Dember)效应,光磁电效应和PN结光生伏特效应等情形。,一、丹倍效应,一束频率足够高的光照射在一块均匀半导体样品的表面,会产生大量电子空穴对,表面层内就有了非平衡的载流子n=p这样
9、,就造成了由表面指向体内的浓度梯度。,按扩散定律,电子和空穴形成的扩散电流密度分别为:()()/()/,总扩散电流密度为:扩()()/,事实上电子和空穴的扩散系数不同,一般,电子扩散的比空穴快,总扩散电流将沿负方向,引起电荷局部积累而打破电中性状态,使光照一面带正电。形成了沿方向的电场,这电场又引起载流子沿方向的漂移运动,形成漂移电流:J漂(p)这电流和总扩散电流方向相反,于是总的电流密度扩漂(p)(p)(p)/达到稳定后,电流密度,从而半导体中的电场:(p)/(p)(p)/在半导体中,载流子的扩散系数与迁移率的比满足爱恩斯坦关系:/=kT/e(p)()ep dx(p)(p)(),由于光生非平
10、衡载流子扩散速度的差异,直接引起了光照方向的电场和电位差,被称为丹倍效应。,二、光磁电效应,如果在垂直光照方向施加一磁场,则在半导体的两侧端面间产生电位差,这效应称为光磁电效应。,光磁电效应的机理:光在样品表面产生了非平衡载流子浓度如图()所示,浓度梯度使载流子出现了定向扩散速度(方向),磁场作用在载流子上的洛仑兹力,使正负载流子分离图(),在两个端面的电荷积累形成电位差图()和横向电场。当作用在载流子上的洛仑兹力与作用的电场力平衡时,电位差维持一个稳定值。,光磁电效应与霍尔效应类似,但它与具有两种载流子的半导体中的霍尔效应有所不同。在霍尔效应中,载流子的定向运动是外加电场引起的。两种载流子的
11、运动方向相反,二者形成的电流方向相同。而在光磁电效应中,定向运动是扩散引起的。两种载流子扩散方向相同,二者形成的电流方向相反。在垂直磁场作用下,如图()所示,向相反方向偏转,效果是相互加强的。,对于厚度为的型半导体,光磁电效应在端面间的开路电压为:L()()式中()是表面处的非平衡空穴浓度。如果横向两端短路连接形成的短路电流为:()(),光磁电效应,表面处的非平衡载流子浓度()0与载流子寿命有关,光磁电效应有时被用来测量半导体中载流子寿命,特别是短寿命的测量。在光磁电效应中,如果外加磁场不垂直于轴,而是斜置于平面,则磁场的分量,将与样品内流动的开路电流相互作用,从而引起转矩,这现象称为光学机械
12、效应。,、等许多半导体材料都可呈现较明显的光磁电效应。利用具有这种效应的材料。可以制造半导体红外探测器。,当光照射在距表面很近的结时,便会在结上产生电动势,这被称为结光生伏特效应。,1839年法国人贝克勒(Edmond Becqural)在研究电解质电池时,观察到光照射到电池的一个电极时,电池的电动势有所提高。这就是最早发现的光生伏特效应,直到1876年Adams和Day利用光生伏特效应制造出了硒光电池。,三、结光生伏特效应,在光未照射时,由于型、型材料内部存在空穴、电子浓度差,导致相互扩散。在两区接界处形成了空间电荷层及相应存在的由区指向区的内建电场,阻止两边不同的载流子的扩散。从能量角度看
13、,结处形成了一个势垒,图1-8(b)。因此区内的电子和区内的空穴要想从一个区域进入极性相反的另一个区域都需要提供能量。,光照射时,光子可进入区,结区和区。在这三个区域光子被吸收产生电子空穴对。图1-8(c)、(d)同时也存在电子与空穴的复合过程。在每个区域,非平衡的光生少数载流子起主要作用,,区:少数载流子是电子,只要在此区域所产生的光生电子离结区的距离小于电子的扩散长度(指光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离),便可靠扩散从区进入到结区而被内建电场内加速趋向区;区:空穴是少数载流子,只要光生空穴离结区距离小于空穴的扩散长度,便可靠扩散进入结区,被内建电场加速趋向区;结区:产生的光
14、生电子空穴对,被内建电场加速并分离到结的两边。,在三个区域都是光子产生电子空穴对,靠扩散和内建电场实现正负电荷的分离,使电荷积累到结的两边,型侧带正电,型侧带负电,从而建立一个与原内建电位差相反的电位差L,称为光生电位差。在建立光生电位差的过程中,载流子移动形成的电流称为光生电流L,光生电位差对结来说,相当于加上了一个正向电压,会产生一个正向电流,方向与光生电流方向相反,当这两个相反电流互相抵消时,在结上建立起稳定的光生电位差oc在光的照射下,结形成了一个能产生电动势的电源,构成一个电池,即光电池。利用结的光敏特性,除了制作光电池外,还可以制成各种光敏二极管、光敏三极管等元器件,广泛用于自动控
15、制和传感技术中。,、光敏二极管(),硅光敏二极管,为光生电流,为结动态电阻,为结电容,为串联电阻。光敏二极管的动态电阻随结电压变化很大,结电容与负载电阻构成时间常数限制光敏二极管的响应速度。光敏二极管有三种工作方式:)光电导方式:工作方式是在结外加反向偏置电压;动态电阻大,负载电阻可根据需求选择;)光伏短路方式:光敏二极管无需偏置电压;输出不含暗电流,线性范围宽,适于弱光检测;)光伏开路方式:如图所示,光敏二极管工作时,要求负载电阻,其输出电压为图示的断路电压。(对数关系,响应慢)。,、光敏三极管,光敏三级管具有放大功能,可以获得比光敏二极管大的多的光电流,它有无基极引线和有基极引线两种类型。
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- 物理 效应 及其 应用 光电效应
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