[理学]物理效应及其应用—光电效应.ppt

课程名称：物理效应及其应用 《物理效应及其应用》课程简介 １、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。 ２、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。 ３、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 ４、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。 第一节　外光电效应 １８８７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粒子就是电子。 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Ｇ。当无光照射时，玻璃罩内阴极Ｋ和阳极Ａ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Ｇ。 一、单电子光电效应　 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，他们在运动中并不分解，并且只能整个地被吸收或发射。” 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１／２m?02。既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. 　　 应用实例：光电倍增管 二、多电子光电效应 １９６３年Ｒｅａｄｙ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。１９６８年Teich和Wolga用GaAs激光器发射的ｈ?＝1.48eV的光子照射逸出功?＝２．３ｅＶ的钠时， 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。 一、丹倍效应 二、光磁电效应 光磁电效应 三、ＰＮ结光生伏特效应 　　 在光未照射时，由于Ｐ型、Ｎ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Ｎ区指向Ｐ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，ＰＮ结处形成了一个势垒，图1-8(b)。因此Ｎ区内的电子和Ｐ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。 Ｐ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ｘ小于电子的扩散长度Ｌｎ（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Ｐ区进入到结区而被内建电场Ｅ内加速趋向Ｎ区； Ｎ区：空穴是少数载流子，只要光生空穴离结区距离ｘ小于空穴的扩散长度Ｌｐ，便可靠扩散进入结区，被内建电场加速趋向Ｐ区； 结区：产生的光生电子－空穴对，被 内建电场加速并分离到ＰＮ结的两边。 ?光生电位差对ＰＮ结来说，相当于加上了一个正向电压，会产生一个正向电流Ｉｐ，方向与光生电流ＩＬ方向相反，当这两个相反电流互相抵消时，在ＰＮ结上建立起稳定的光生电位差Ｖoc 在光的照射下，ＰＮ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ＰＮ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，广泛用于自动控制和传感技术中。 １、光敏二极管（ＰＤ） 硅光敏二极管， Ｉｌ为光生电流，ＲＤ为ＰＮ结动态电阻， Ｃｊ为结电容，　Ｒｓ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Ｃｊ与负载电