课程名称：物理效应及其应用物理效应及其应用物理效应及其应用物理效应及其应用课程简介课程简介、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。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、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。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、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代物理效应的应用背景、后续传感器技术课程的基础。、后续传感器技术课程的基础。参考书：参考书：物理效应及其应用物理效应及其应用，陈宜生，周佩瑶，冯艳全，陈宜生，周佩瑶，冯艳全，天津大学出版社。天津大学出版社。第一章光电效应第一章光电效应 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。光光具具有有波波粒粒二二相相性性：在在与与物物质质相相互互作作用用时时，会会更更明明显地表露出它的粒子（即光子特性）特征：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电效应的本质是光子与电子相互作用的结果。光光子子具具有有一一定定光光谱谱频频率率并并以以普普朗朗克克常常数数为为能能量量单单元，对外作用时表现为或被吸收元，对外作用时表现为或被吸收,或改变频率和方向或改变频率和方向；电电子子带带电电粒粒子子的的最最小小单单元元。在在与与外外界界作作用用时时，能能量量和和状状态态发发生生变变化化,从从束束缚缚于于局局域域状状态态转转变变到到比比较较自自由的状态，导致物质电特性的变化。由的状态，导致物质电特性的变化。光电效应分为：外光电效应光电效应分为：外光电效应,内光电效应内光电效应第一节外光电效应第一节外光电效应 年年德德国国物物理理学学家家赫赫兹兹在在实实验验中中发发现现了了一一个个奇奇妙妙的的现现象象：当当用用紫紫外外光光照照射射它它的的装装置置时时，电极之间发生火花要容易一些电极之间发生火花要容易一些。一一年年后后，霍霍耳耳瓦瓦克克斯斯（H.Hallwachs）证证明明：上上述述现现象象是是由由于于出出现现了了带带电电粒粒子子的的缘缘故故。后后来来人们证实了这种粒子就是人们证实了这种粒子就是电子电子。外外光光电电效效应应由由于于光光照照射射固固体体材材料料从从表表面激发出电子的现象面激发出电子的现象(或光电发射效应）或光电发射效应）光电子由光的作用激发出的电子光电子由光的作用激发出的电子。第一节外光电效应第一节外光电效应将两个金属电极安装在抽成真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串联上直流电源和灵敏电流计。当无光照射时，玻璃罩内。当无光照射时，玻璃罩内阴极和阳极之间的空间无阴极和阳极之间的空间无载流子（即自由正负电荷），载流子（即自由正负电荷），如果不考虑暗电流，电阻为无如果不考虑暗电流，电阻为无穷大，没有电流流过。穷大，没有电流流过。一、单电子光电效应一、单电子光电效应图外光电效应观察装置当当有有光光照照射射阴阴极极时时，就就有有光光电电子子从从阴阴极极飞飞出出，在在电电压压作作用用下下，飞飞向向阳阳极极，检检流流计计中中便便有有稳稳定的电流通过。定的电流通过。年年，赫赫兹兹的的助助手手勒勒纳纳德德利利用用各各种种频频率率和和强强度度的的光光，对对光光电电效效应应进进行行了了系系统的实验研究，发现了统的实验研究，发现了三条实验规律三条实验规律：、当当一一定定频频率率的的光光照照射射金金属属阴阴极极，在在阴阴极极与与阳阳极极之间有足够的加速电压，光电流正比于光强。之间有足够的加速电压，光电流正比于光强。、每每一一种种金金属属各各自自存存在在一一个个足足以以发发生生外外光光电电效效应应的的最最低低频频率率 (红红限限频频率率),当当照照射射光光的的频频率率 时时，不不会会逸逸出出光光电电子子；当当入入射射光光的的频频率率 ,不不管管光光多多么么弱弱都都会会立立刻刻发发射射光光电电子子，不不存存在在时时间滞后。间滞后。、光光电电子子从从金金属属表表面面刚刚逸逸出出时时最最大大初初动动能能1/2m，与与光光的的频频率率有有线线性性关关系系，与与入入射射光光的强度无关。的强度无关。爱恩斯坦提出的光量子（光子）假说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。”外光电效应方程（又称著名的爱恩斯坦方程）：h =1/2m02+（）（）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。爱爱恩恩斯斯坦坦认认为为：一一束束频频率率为为 的的光光可可以以视视为为一一束束单单个个粒粒子子，能能量量为为h 的的光光子子流流，h为为普普朗朗克克常常数数。在在光光与与物物质相互作用时，就是这些光子与物质微粒之间的事情了。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：逸出功：自由电子逃逸出金自由电子逃逸出金属表面所需的最小能量属表面所需的最小能量,需要需要对电子所作的最小的功。对电子所作的最小的功。飞飞来来的的光光子子是是一一个个个个能能量量为为h 的的小小能能量量包包，当当它它与与电电子子碰碰撞撞并并为为电电子子所所吸吸收收时时，电电子子获获得得光光子子的的能能量量，一一部部分分用用于于克克服服金金属属的的束束缚缚，开开销销于于逸逸出出功功，余余下下的的能能量量便便转转成成了了外外逸逸光光电电子子的的初初动动能能m 02。既既然然光光子子与与电电子子之之间间的的相相互互作作用用是是一一一一对对应应的的，光光电电子子瞬瞬息息即即发发也也就就顺顺理理成成章章。这这也也是是外外光光电电效效应应存存在在红红限限频频率率 0的的道道理理所所作作，不不同同的的金金属属逸出功不同，红限频率也就不同逸出功不同，红限频率也就不同. （b）0金属 真空（a）Ef图（）能量“势阱”( b ) 光电子初动能与光频率关系图图(b)直直观观地地表表示示光光电电子子的的初初动动能能与与光光的的频频率率成成直直线线关关系系，直直线线与与频频率率轴轴的的交交点点对对应应红红限限频频率率，直直线线的的斜斜率率是是普普朗朗克克常常数数。密密立立根根花花了了年年的的时时间间，验验证证了了爱爱恩恩斯斯坦坦方方程程，并并准准确确地地测测出出了了普普朗朗克克常常数数，宣宣告告光光子子的的存在是无可置疑的。存在是无可置疑的。应用实例：光电倍增管应用实例：光电倍增管 阴极光第阴极第阴极第阴极第阴极阳极图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，最终可使电流放大倍以上到达阳极。二、多电子光电效应二、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。第二节第二节光光电电导导效效应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）。第三节第三节光光生生伏伏特特效效应应 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。半导体受光照射产生电动势的现象。光光电电导导效效应应是是以以光光作作为为动动力力，使使束束缚缚电电子子成成为为自自由由电电子子，形形成成电电子子空空穴穴对对，从从而而改改变变了了材材料的载流子浓度，导致电导率发生变化。料的载流子浓度，导致电导率发生变化。要要在在光光的的照照射射下下产产生生电电动动势势，还还需需要要一一种种将将正正、负载流子在空间上分离开来的机制。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丹倍倍（Dember）效效应应,光光磁磁电电效效应和应和PN结光生伏特效应结光生伏特效应等情形。一、丹倍效应一、丹倍效应 ExVxJ扩d(a)(b)(c)图丹倍效应dxh一束频率足够高的一束频率足够高的光照射在一块均匀半导光照射在一块均匀半导体样品的表面，会产生体样品的表面，会产生大量电子空穴对，表大量电子空穴对，表面层内就有了非平衡的面层内就有了非平衡的载流子载流子 n= p这样，就这样，就造成了由表面指向体内造成了由表面指向体内的浓度梯度的浓度梯度。 按扩散定律，电子和空穴形成的扩散电流密度分别为：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：总扩散电流密度为：扩扩（）（）（ ）/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漂漂（p）这电流和总扩散电流方向相反，于是总的电流密度扩扩漂漂（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）()epdx（ p）（ p）（）（）由由于于光光生生非非平平衡衡载载流流子子扩扩散散速速度度的的差差异异，直直接接引引起起了了光光照照方向的电场和电位差，被称为丹倍效应。方向的电场和电位差，被称为丹倍效应。二、光磁电效应二、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。 光光磁磁电电效效应应的的机机理理：光光在在样样品品表表面面产产生生了了非非平平衡衡载载流流子子浓浓度度如如图图（）所所示示，浓浓度度梯梯度度使使载载流流子子出出现现了了定定向向扩扩散散速速度度（方方向向），磁磁场场作作用用在在载载流流子子上上的的洛洛仑仑兹兹力力，使使正正负负载载流流子子分分离离图图（），在在两两个个端端面面的的电电荷荷积积累累形形成成电电位位差差图图（）和和横横向向电电场场。当当作作用用在在载载流流子子上上的的洛洛仑仑兹兹力力与与作用的电场力平衡时，电位差维持一个稳定值。作用的电场力平衡时，电位差维持一个稳定值。光光磁磁电电效效应应与与霍霍尔尔效效应应类类似似，但但它它与与具具有有两两种种载载流流子子的的半半导导体体中中的的霍霍尔尔效效应应有有所所不不同同。在在霍霍尔尔效效应应中中，载载流流子子的的定定向向运运动动是是外外加加电电场场引引起起的的。两两种种载载流流子子的的运运动动方方向向相相反反，二二者者形形成成的的电电流流方方向向相相同同。而而在在光光磁磁电电效效应应中中，定定向向运运动动是是扩扩散散引引起起的的。两两种种载载流流子子扩扩散散方方向向相相同同，二二者者形形成成的的电电流流方方向向相相反反。在在垂垂直直磁磁场场作作用用下下，如如图图（）所所示，向相反方向偏转，效果是相互加强的。示，向相反方向偏转，效果是相互加强的。图光磁电效应Bz hBzldbhyxzEyl Vy (a)(b)(c)FL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：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：成的短路电流为：（）（）（）光磁电效应光磁电效应 表表面面处处的的非非平平衡衡载载流流子子浓浓度度（) )0 0与与载载流流子子寿寿命命有有关关，光光磁磁电电效效应应有有时时被被用用来来测测量量半半导导体体中中载载流流子子寿寿命命，特特别是短寿命的测量。别是短寿命的测量。在在光光磁磁电电效效应应中中，如如果果外外加加磁磁场场不不垂垂直直于于轴轴，而而是是斜斜置置于于平平面面，则则磁磁场场的的分分量量，将将与与样样品品内内流流动动的的开开路路电流相互作用，从而引起转矩，这现象称为光学机械效应。电流相互作用，从而引起转矩，这现象称为光学机械效应。、等等许许多多半半导导体体材材料料都都可可呈呈现现较较明明显显的的光光磁磁电电效效应应。利利用用具具有有这这种种效效应应的的材材料。可以制造半导体红外探测器。料。可以制造半导体红外探测器。ccPNh图光电池当当光光照照射射在在距距表表面面很很近近的的结结时时，便便会会在在结结上上产产生生电电动动势势，这这被被称称为为结光生伏特效应。结光生伏特效应。1839年年法法国国人人贝贝克克勒勒（EdmondBecqural）在在研研究究电电解解质质电电池池时时，观观察察到到光光照照射射到到电电池池的的一一个个电电极极时时，电电池池的的电电动动势势有有所所提提高高。这这就就是是最最早早发发现现的的光光生生伏伏特特效效应应，直直到到1876年年Adams和和Day利利用用光光生生伏伏特特效效应应制造出了硒光电池制造出了硒光电池。三、结光生伏特效应三、结光生伏特效应 +-E内 阻挡层（）电势能对电子对空穴（）在在光光未未照照射射时时，由由于于型型、型型材材料料内内部部存存在在空空穴穴、电电子子浓浓度度差差，导导致致相相互扩散。互扩散。在在两两区区接接界界处处形形成成了了空空间间电电荷荷层层及及相相应应存存在在的的由由区区指指向向区区的的内内建建电电场场，阻止两边不同的载流子的扩散。阻止两边不同的载流子的扩散。从从能能量量角角度度看看，结结处处形形成成了了一一个个势势垒垒，图图1-8(b)。因因此此区区内内的的电电子子和和区区内内的的空空穴穴要要想想从从一一个个区区域域进进入入极极性性相相反反的的另另一一个个区区域域都都需需要要提提供供能能量。量。阻挡层内内 （） Ln Lp 复合电离导带导带禁带禁带价带价带电子能量电子能量（）图结光生伏特效应光照射时，光子可进入区，结区和光照射时，光子可进入区，结区和区。在这三个区域光子被吸收产生区。在这三个区域光子被吸收产生电子空穴对。图电子空穴对。图1-8(c)、(d)同时也同时也存在电子与空穴的复合过程。在每个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区域，非平衡的光生少数载流子起主要作用，要作用，区：区：少数载流子是电子，只要在此区域所产生的光生电子离少数载流子是电子，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（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）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，便可靠扩散从区进入到结区而被内建电场而被内建电场内内加速趋向区；加速趋向区；区：区：空穴是少数载流子，只要光生空穴离结区距离小于空空穴是少数载流子，只要光生空穴离结区距离小于空穴的扩散长度穴的扩散长度，便可靠扩散进入结区，被内建电场加速，便可靠扩散进入结区，被内建电场加速趋向区；趋向区；结区：结区：产生的光生电子空穴对，被产生的光生电子空穴对，被内建电场加速并分离到结的两边内建电场加速并分离到结的两边。阻挡层内内 （） Ln Lp 复合电离导带导带禁带禁带价带价带电子能量电子能量（）图结光生伏特效应在三个区域都是光子产生电子空穴对，靠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，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型侧带负电，从而建立一个与原内建电位差相反的电位差相反的电位差L，称为称为光生电位差光生电位差。在建立光生电位差的过程中，载流子移动形在建立光生电位差的过程中，载流子移动形成的电流称为成的电流称为光生电流光生电流L光光生生电电位位差差对对结结来来说说，相相当当于于加加上上了了一一个个正正向向电电压压，会会产产生生一一个个正正向向电电流流，方方向向与与光光生生电电流流方方向向相相反反，当当这这两两个个相相反反电电流流互互相相抵抵消消时时，在在结结上上建建立立起起稳稳定定的的光光生生电电位差位差oc在在光光的的照照射射下下，结结形形成成了了一一个个能能产产生生电电动动势的电源，构成一个电池，即光电池势的电源，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，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。器件，广泛用于自动控制和传感技术中。、光敏二极管（）、光敏二极管（） 硅光敏二极管，硅光敏二极管，为光生电流为光生电流，为结动态电阻为结动态电阻，为结电容为结电容，为串联电阻为串联电阻。光光敏敏二二极极管管的的动动态态电电阻阻随随结结电电压压变变化化很很大大，结结电电容容与与负负载载电电阻阻构构成成时时间间常常数数限限制制光光敏二极管的响应速度敏二极管的响应速度。光敏二极管有三种工作方式：光敏二极管有三种工作方式：）光光电电导导方方式式：工工作作方方式式是是在在结结外外加加反反向向偏偏置置电电压压；动动态态电电阻阻大大，负负载载电电阻可根据需求选择；阻可根据需求选择；）光光伏伏短短路路方方式式：光光敏敏二二极极管管无无需需偏偏置置电电压压；输输出出不不含含暗暗电电流流，线线性性范范围围宽，适于弱光检测；宽，适于弱光检测；）光光伏伏开开路路方方式式：如如图图所所示示，光光敏敏二二极极管管工工作作时时，要要求求负负载载电电阻阻，其其输输出出电电压压为为图图示示的的断断路路电电压压。（对对数数关关系系，响应慢）。响应慢）。输出图光电转换电路（）电路符号（）等效电路图光敏二极管、光敏三极管、光敏三极管 光光敏敏三三级级管管具具有有放放大大功功能能，可可以以获获得得比比光光敏敏二二极极管管大大的的多多的的光光电电流流，它它有有无无基基极极引引线线和和有有基基极极引引线线两两种种类类型型。有有基基极极引引线线的的光光敏敏三三级级管管可可通通过过改改变变基基极极偏偏置置电电压压来来调调制制工工作作点点进进入入线线性性区区，并并能能减减少少发发射射极极电电阻阻，以以改改善善弱弱光光条条件件下下的的频频率率特性。特性。光敏三级管光敏三级管:以以集集电电结结为为光光敏敏二二极极管管，靠靠光光注注入入载载流流子子在在其其上上产产生生的的光光电电流流加加以以放放大大，于集电极回路输出。于集电极回路输出。光光敏敏三三级级管管的的光光电电流流（集集电电极极电电流流）与与集集电电极极电电压压的的曲曲线线类类似似于于半半导导体体三三极极管管，只只需需将将半半导导体体三三极极管管的的基基极电流参数换成光强参数即可。极电流参数换成光强参数即可。发射极基极集电极光敏三极管的应用：光敏三极管的应用：光光敏敏三三级级管管输输出出信信号号大大，在在自自动动控控制制和和测测量量中中有有许许多多应应用用，而而且且还还能能与与发发光光二二极极管管一一起起构构成成复复合合型型光光电电器器件件、如如光光敏敏物物位位传传感感器器、光光电电耦耦合合器等。器等。图图表表示示了了遮遮光光式式图图（）、（）和和反反光光式式图图（）（）物物位位传传感感器器的的示示意意结结构构和和电电路路符符号号。物物位位传传感感器器在在工工业业生生产产和和电电气气控控制制方方面面有有广广泛泛应应用用，如如在在计计算算机机磁磁盘盘驱驱动动器器中中的的写写保保护护、磁磁道道检检测测，对对软软盘盘索索引引的的检检测测都都用用到到光光电电物物位位传传感感器器。产产品品自自动动计计数数、包包裹裹自自动动分分理理、信信件件邮邮编编自自动动识识别别、自自动动生生产产线线物物位位测测量量与与控控制制、光光电电编编码码器器、光光电电测测速速传传感感器器、光光电电隔隔离离器器、家家用用电电器器等等方方面面，都可见到光敏物位传感器的应用。都可见到光敏物位传感器的应用。光敏三极管被测物（）（）光敏三极管反光物（）（）（）（）（）（）图 光电物位传感器、光敏二极管、光敏二极管 为了提高光敏二极管的响应速为了提高光敏二极管的响应速度，应减少结的结电容度，应减少结的结电容在结之间设置一个高电阻率在结之间设置一个高电阻率的层能达到这一目的。如图的层能达到这一目的。如图1-12所示，在型硅片上制作一层所示，在型硅片上制作一层含杂质少的高组层，而在该层上含杂质少的高组层，而在该层上形成薄的层。入射的光由很薄形成薄的层。入射的光由很薄的层照射到较厚的层，大部的层照射到较厚的层，大部分光被层吸收，激起光生载流分光被层吸收，激起光生载流子形成光电流。这使光敏子形成光电流。这使光敏二极管能有高的转换效率。二极管能有高的转换效率。电极输出信号反偏压电极PIN图光敏二极管另外，工作时光敏管加有较高的反向偏置电压，使结另外，工作时光敏管加有较高的反向偏置电压，使结的阻挡层加宽，也大大加强了阻挡层中光生载流子的加速电场（约的阻挡层加宽，也大大加强了阻挡层中光生载流子的加速电场（约），大幅度减少了载流子在结内的漂移时间，从而），大幅度减少了载流子在结内的漂移时间，从而响应速度大为提高。光敏二极管具有响应速度快（响应速度大为提高。光敏二极管具有响应速度快（s以下）、灵敏度高、线性较好三大优点，可用于光存储器读出装置、以下）、灵敏度高、线性较好三大优点，可用于光存储器读出装置、遥控装置、伺服跟踪信号检测器、光通信等方面。遥控装置、伺服跟踪信号检测器、光通信等方面。、雪崩光敏二极管（）、雪崩光敏二极管（） 雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管是是为为提提高高光光探探测测器器灵灵敏敏度度所所作作的的努努力力，如如果果把把一一般般光光敏敏二二极极管管比比作作真真空空管管，那那么么雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管就就好好似似真空光电倍增管。真空光电倍增管。雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管的的基基片片材材料料目目前前多多采采用用硅硅和和锗锗。其其结结构构是是在在型型基基片片上上制制作作层层，再再在在上上面面配配置置高高掺掺杂杂浓浓度度的的薄薄层层。光线通过光线通过层，进入层，产生光生载流子。层，进入层，产生光生载流子。由由于于结结上上加加有有近近于于击击穿穿电电压压的的反反向向偏偏置置电电压压，致致使使区区存存在在很很强强的的电电场场（约约），区区的的光光生生载载流流子子被被急急剧剧加加速速，能能量量远远远远超超过过材材料料禁禁带带宽宽度度，从从而而引引起起碰碰撞撞电电离离，产产生生新新的的载载流流子子。这这些些新新生生载载流流子子又又被被加加速速，又又产产生生更更多多新新的载流子。这一链式过程使载流子数目雪崩式地急剧增长。的载流子。这一链式过程使载流子数目雪崩式地急剧增长。这种光电流的内部放大机制使这种光电流的内部放大机制使雪崩光敏二极管具有很高的灵敏度。雪崩光敏二极管具有很高的灵敏度。由由于于这这种种光光敏敏元元件件灵灵敏敏度度高高，响响应应快快，被被用用于于光光纤纤通通讯讯的的受受光光装装置置和和光光磁磁盘盘的的受受光光装装置置来来处处理理弱弱光光信信号号。用用反反向向偏偏置置的的结结除除了了形形成成上上面面一一些光敏器件外，还可以作成光控闸流管、色敏器件等。些光敏器件外，还可以作成光控闸流管、色敏器件等。四、贝克勒（）效应四、贝克勒（）效应 将将两两个个同同样样的的电电极极浸浸在在电电解解液液中中。让让其其中中的的一一个个被被光光照照射射，那那么么，在在两两个个电电极极间间将将产产生生电电位差，这称为贝克勒效应。位差，这称为贝克勒效应。如图（）所示如图（）所示最最近近，为为了了制制造造出出廉廉价价的的太太阳阳能能电电池池，科科学学家家想想模模仿仿叶叶绿绿素素的的光光合合作作用用。如如图图所所示示，两两个个电电极极与与电电解解质质溶溶液液接接触触。其其中中的的一一个个透透明明电电极极上上覆覆盖盖着着一一层层二二氧氧化化钛钛粒粒子子，再再在在其其上上覆覆盖盖一一层层特特制制的的钌钌基基燃燃料料，这这种种染染料料有有类类似似叶叶绿绿素素的的性性质质。光光敏敏染染料料分分子子象象小小型型天天线线那那样样吸吸收收入入射射光光子子，将将电电释释放放给给下下面面的的二二氧氧化化钛钛。这这些些电电子子经经过过透透明明电电极极、外外电电路路、电电解解质质再再返返回回染染料料。将将化化学学电电池池、光光伏伏特特效效应应结结合合起起来来可可能能会会有有光光明明的的前前途途。制造出廉价高效的太阳能电池是解决地球上能源问题的途径之一。制造出廉价高效的太阳能电池是解决地球上能源问题的途径之一。该该效效应应是是发发现现最最早早的的光光伏伏特特效效应应。前前面面提提及及的的几几个个光光生生伏伏特特效效应应是是在在固固体体中中发发生生的的。贝贝克克勒勒效效应应是是在在液液体中的光生伏特效应。这种效应已体中的光生伏特效应。这种效应已透明电极二氧化钛粒子电解质光敏染料导电玻璃（）（）图电解质被用来制成实用化的感光电池。被用来制成实用化的感光电池。五、光子牵引效应五、光子牵引效应 如如图图所所示示，当当一一束束光光子子能能量量还还不不足足以以引引起起电电子子空空穴穴产产生生的的激激光光照照射射在在一一块块样样品品上上时时，可可以以沿沿光光束束传传播播的的方方向向，在在样样品品的的两两个个侧侧端端面面上上，建建立立起起电电位位差差，其其大大小小与与光光功功率率成成正正比比。这这种种现现象象称称为为光光子子牵牵引效应。引效应。光光子子具具有有动动量量。当当光光子子与与材材料料中中的的载载流流子子相相互互碰碰撞撞时时，可可以以将将动动量量传传递递给给载载流流子子，因因而而在在光光束束方方向向引引起起载载流流于于的的定定向向运运动动，在在端端面面形形成成电电荷荷累累积积，产产生生附附加加电电场场，当当附附加加电电场场对对载载流流子子的的电电场场力力与与光光子子产产生生的的冲冲力力平平衡衡时时，便便建建立立起稳定的电位差起稳定的电位差VL。与前面提到的光电效应不同，那些效应都涉及到载流子的产生，都是光子能量转移给电子，而这里不顾及载流于的产生，将光子的动量转移给电子,这种转移发生很快。此类光探测器具有快速的响应（响应时间约）激光型半导体图光子牵引效应第四节第四节俄俄歇歇效效应应 1925年法国人俄歇（M.P.Auger）在威尔逊云雾室中，用X射线研究电离惰性气体的光电效应。预想是X射线光子能量越高，逸出光电子的初动能越大，在云雾室中形成的轨迹应该越长。可他却沿着X射线方向观察到了双电子径迹现象。这两条径迹从同一点发出，其中一条径迹的长度随X射线光子能量的增加而增加，可以用原子内壳层光电子发射来解释；而另一条电子径迹的长度，不随X射线光子能量变化，却同被照射原子类型有关，不能用光电效应来解释。后来称造成这种径迹的电子为俄歇电子。在在发发射射光光电电子子后后，发发射射俄俄歇歇电电子子，使使原原子子、分分子子成为高阶离子的现象称为俄歇效应。成为高阶离子的现象称为俄歇效应。俄歇电子的产生过程俄歇电子的产生过程以氩原子为例：以氩原子为例： 能量大于能量大于K壳层电子结合能的光壳层电子结合能的光子或电子与氩原子碰撞，轰击出子或电子与氩原子碰撞，轰击出K壳壳层的束缚电子，留下一个空穴，如层的束缚电子，留下一个空穴，如图图1-(b)所示，所示，K壳层被电离。这时，壳层被电离。这时，原子内电子分布失去平衡，纵使静原子内电子分布失去平衡，纵使静电力也会促使较外层的电子来填补电力也会促使较外层的电子来填补这个空穴。较外层电子能量比内层这个空穴。较外层电子能量比内层高，当它为填补空穴跃迁到内层时，高，当它为填补空穴跃迁到内层时，应将多余的能量释放出去。应将多余的能量释放出去。俄歇电子 0KL1L1跃迁（c）。0人射光子或电子光电子（b） K壳层L壳层M壳层真空能级0M1M2M3L1L2L3（a）图15 俄歇电子发射解释的方法有两种：解释的方法有两种：一种是以一种是以光子形式辐射光子形式辐射，如发射软，如发射软X射线；射线；另一种另一种是非辐射能量转移，将能量转移给另一个电子，得是非辐射能量转移，将能量转移给另一个电子，得到能量的这个电子从原子中发射出来，这就是我们所说的到能量的这个电子从原子中发射出来，这就是我们所说的俄歇电子俄歇电子。多重能级之间电子跃迁产生多俄歇电子发射俄歇电子的发射，可俄歇电子的发射，可以理解成在电子填充以理解成在电子填充空穴的过程中，电子空穴的过程中，电子之间存在库仑力，使之间存在库仑力，使它们在能级之间跃迁，它们在能级之间跃迁，并彼此交换能量。一并彼此交换能量。一个电子能量的降低，个电子能量的降低，伴随着另一电子能量伴随着另一电子能量的增高，这跃迁过程的增高，这跃迁过程就是所谓的俄歇效应就是所谓的俄歇效应。固体能带中俄歇电子的发射俄歇电子能谱的应用俄歇电子能谱的应用用用俄俄歇歇电电子子谱谱仪仪能能对对气气体体进进行行元元素素分分析析和和分分子子类类型型分分析析，也也可可进进行行电电离离过过程程研研究究。俄俄歇歇电电子子谱谱仪仪能能成成功功地地进进行行固固体体表表面面的的成成分分分分析析，还还可可以以分分析析表表面面发发生生的的吸吸附附、脱脱附附、扩扩散散、催催化化反反应应，薄薄膜膜生生长长、表表面面污污染染等等。俄俄歇歇电电子子谱谱仪仪有有灵灵敏敏度度高高、分分析析速速度度快快等等优优点点，在在表表面面物物理理、化化学学反反应应动动力力学学、催催化化剂剂、冶冶金金、电电子子等诸多领域有很多重要应用。等诸多领域有很多重要应用。第五节第五节康康普普顿顿效效应应与与逆逆康康普普顿顿效效应应 康康 普普 顿顿 （ A.H. Compton） 在在 1922一一1923年年间间研研究究物物质质对对X射射线线的的散散射射，如如图图1-17所示，实验发现所示，实验发现:如如果果将将X射射线线视视为为电电磁磁波波，X光光的的散散射射归归因因于于物物质质中中电电子子的的受受迫迫振振动动，散散射射光光波波长长应应当当等等于于入入射射光光波波长长，因因此此，光光的的波波动动理理论论不不能能解解释释康康普普顿顿效效应应。但但将将光光视视为为光光子子流流的的光光量量子子论论可可以以圆圆满满地地解解释这个效应。释这个效应。将将一一束束X射射线线投投射射在在石石墨墨上上，从从不不同同方方位位用用X射射线线谱谱仪仪来来测测量量散散射射的的X射射线线。在在散散射射的的X射射线线中中，除除有有原原波波长长 的的射射线线外外，还还有有波波长长 的的射射线线。这这种种波长改变的散射，称为康普顿效应波长改变的散射，称为康普顿效应.由康普顿观察并提出了理论解释，。由康普顿观察并提出了理论解释，。我我国国物物理理学学家家吴吴有有训训，从从1924一一1926年年间间（当当时时他他是是康康普普顿顿的的研研究究生生），进进一一步步观观察察X射射线线对对各各种种物物质质的的散散射射实实验验，确确认认散散射射X射射线线波波长长的的改改变变 ，与与入入射射X射射线线的的波波长长和和散散射射物物质质无无关关，只只与与散散射射方方位位有有关，关，与散射角与散射角之间有下列简单关系：之间有下列简单关系： 2sin2/2式中：0.00241nm，是实验得出的常数。相当散射角 / 2 时的波长改变。光光束束视视为为光光子子束束。X射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用就就可可看看作作光光子子与与实实物物微微粒粒的的碰碰撞撞过过程程。X射射线线光光子子与与原原子子外外层层电电子子碰碰撞撞，因因外外层层电电子子与与原原子子核核联联系系较较弱弱，很很易易在在X射射线线作作用用下下离离开开原原子子，X射射线线散散射射就就可可近近似似看看作作光光子子与与自自由由电电子子完完全全弹弹性性碰碰撞撞的的过过程程。碰碰撞撞前前后后光光子子和和电电子子的的总总动动量量守守恒恒，总总能能量量也也守守恒。要注意的是光子是以光速运动，应按相对论来考虑问题，恒。要注意的是光子是以光速运动，应按相对论来考虑问题，光子的能量为光子的能量为 ，由质能关系由质能关系EmC2，得光子质量得光子质量m C2光子动量：光子动量：pmC C/ 碰撞前、碰撞后总能量守恒，总动量守恒分别可写为：碰撞前、碰撞后总能量守恒，总动量守恒分别可写为： m0C2 mC2 （a）ppm （b）利用（利用（a）、（）、（6）二式可得，散射二式可得，散射X射线的波长改变射线的波长改变2/m0Csin2/2 （c）式中: mm0/（1 /c）1/2，m0为电子静止质量，为电子静止质量，m0C2电子静止能，电子静止能，mC2是电子速度为是电子速度为V时的能量。时的能量。p/ ，p/ 分别表示碰撞前、碰撞后光子的动量。分别表示碰撞前、碰撞后光子的动量。如如果果光光子子与与被被原原子子核核紧紧紧紧束束缚缚的的电电子子碰碰撞撞，这这就就相相当当于于与与整整个个原原子子碰碰撞撞，上上式式中中电电子子的的静静止止质质量量m0就就要要用用原原子子的的质质量量取取代代。这这样样，将将变变得得很很小小，光光子子不不会会明显的改变能量或波长，明显的改变能量或波长，所所以以在在散散射射中中仍仍可可观观察察到到与与入入射射光光波波长长相相同同的的成成份份，如如图图1-18所所示示，这这入入射射波波长长 的的位位置置正正好好可可用用来来作为度量作为度量的参考。的参考。由由于于电电子子既既不不是是完完全全自自由由的的，也也不不是是静静止止的的。所所以以散散射射光光不不仅仅仅仅出出现现正正好好两两个个波波长长（或或两两条条强强度度线线）而而是是有有如如图图118那那样样按按波波长长分分布布的的轮轮廓廓线线。实实验验还还表表明明，轮轮廓廓线线峰峰的的高高低低、宽宽窄窄、形形状状与与元元素素的的原原子子序序数数之之有有关关，直直接接反反映映了了物物质质内内部部电子动量的分布。电子动量的分布。康康普普顿顿效效应应涉涉及及高高能能光光子子与与低低能能电电子子的的碰碰撞撞，碰碰撞撞的的结结果果是是使使光光子子部部分分能能量量转转移移给了电子，使光的波长变长，频率变低给了电子，使光的波长变长，频率变低倘倘若若用用光光子子与与高高能能电电子子碰碰撞撞，会会出出现现相相反反的的情情况况，高高能能电电子子将将能能量量转转移移给给光光子子，光光子子频频率率升升高高，波波长长变变短短，这这种种现现象象称称为为逆康普顿效应。逆康普顿效应。逆逆康康普普顿顿效效应应已已有有人人想想用用来来产产生生X激激光光，让让频频率率较较低低的的激激光光器器发发射射的的光光子子和和高高速速电电子碰撞，使之产生高能的子碰撞，使之产生高能的X激光。激光。第六节第六节光电流效应光电流效应 一、低压气体放电一、低压气体放电放电管的伏安特性曲线放电管的伏安特性曲线OA段随着电压增加电流增加段随着电压增加电流增加AB段电压加到一定值，段电压加到一定值，电流饱和。电流饱和。（背景射线）（背景射线）B点以后电流随着电压点以后电流随着电压指数增加指数增加（BC段）段）电压增加到电压增加到Vb（点（点C），），气体击气体击穿或着火穿或着火；CD段表明段表明自持放电过程自持放电过程，原子，原子靠电子自身雪崩式地电离。靠电子自身雪崩式地电离。EF段称为段称为辉光放电区辉光放电区。电流加电流加大，发出明暗交替的辉光，大，发出明暗交替的辉光，反常辉光放电区（反常辉光放电区（FG）称为称为弧光弧光放电放电VA阴极阳极R（a）Vb10110-210-410-610-101016 0 200 400 600 800 1000 VAB汤生放电自持暗放电CDEFG自持放电辉光放电弧光放电I（b）图19 低压气体放电（二）空间电荷效应与辉光放电（二）空间电荷效应与辉光放电 进进入入自自持持放放电电阶阶段段后后，由由于于电电子子与与气气体体原原子子的的碰碰撞撞电电离离，产产生生新新生生的的电子和正离子。电子和正离子。新新生生的的电电子子及及原原有有电电子子在在外外电电场场中中被被加加速速，再再度度产产生生新新生生电电子子和和正正离离子子，电电子子在在创创造造如如此此链链式式倍倍增增过过程程中中飞飞向向阳阳极极；产产生生的的正正离离子子受受到到电电场场加加速速，奔向阴极，奔向阴极，正离子的空间电荷效应比电子的正离子的空间电荷效应比电子的强。图强。图1一一28示意（示意（a）空间电荷效应空间电荷效应及（及（b）阴极和阳极间的电压分布。阴极和阳极间的电压分布。虚线：表示无空间电荷时的电压分布，虚线：表示无空间电荷时的电压分布，曲线曲线2反映空间电荷使阴极附近的电反映空间电荷使阴极附近的电场和电压降加大，场和电压降加大，速速度度足足够够大大的的正正离离子子可可以以从从阴阴极极击击出出二次电子。二次电子。靠外电场的加速，放电管中靠外电场的加速，放电管中电子移动电子移动速度高达速度高达105m/s，而正离子由于质量而正离子由于质量大，其速度可慢两个数量级。大，其速度可慢两个数量级。因此，因此，在极板间形成某种空间电荷分布，空在极板间形成某种空间电荷分布，空间电荷会产生附加电场间电荷会产生附加电场E，在两极之在两极之间，有些地方间，有些地方E与外加电场同向，有与外加电场同向，有些地方却反向。些地方却反向。阴极和阳极间电场或电压的分布发生畸变，这称为阴极和阳极间电场或电压的分布发生畸变，这称为空间电荷效应空间电荷效应（三）光电流效应机理（三）光电流效应机理 当当某某种种原原子子发发射射的的光光照照射射同同种种原原子子，那那么么被被照照射射的的原原子子将将发发生生共共振振吸吸收收，跃跃迁迁到到高高能能级级，使使激激发发原原子子数数目目增增加加。电电子子与与这这些些激激发发原原子子碰碰撞撞时时，就就会会引引起起电电子子碰碰撞撞电电离离速速率率和和载载流流子子浓浓度度的的增增加加，使使放放电电管管阻阻抗抗和和极极间间电电压压降降低低，造造成成负负的的光光电电流流效应，有人也称为效应，有人也称为共振激发光电流效应。共振激发光电流效应。光电流效应是光共振激发（吸收）效应与电光电流效应是光共振激发（吸收）效应与电致电离效应的一种耦合，表现为放电气体阻抗或致电离效应的一种耦合，表现为放电气体阻抗或电流的变化。能否与外来光共振，取决于气体原电流的变化。能否与外来光共振，取决于气体原子、分子的微观结构和能态，这就使我们想到用子、分子的微观结构和能态，这就使我们想到用这个效应来辨别原子、分子。这个效应来辨别原子、分子。