h
半导体材料：CdS、CdSe、PbSe等
2、光生伏特效应 半导体受光照射时产生电动势(或电位差)的现象为 光生伏特效应。
光生伏特效应可分为： 丹倍效应 光磁电效应
PN结光生伏特效应
a、丹倍效应
h
+ -+-+
h
(b)
+ - + - + + - + - + + - + - +-
X
- -
+
X
h + +
压电材料： 压电晶体：石英、磷酸二氢铵、碘酸锂、铌酸锂等
压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)等
应用： 1、水声换能器：利用正、逆压电效应接受或发射声 波完成水下观察； 2、超声技术：利用逆压电效应，在高驱动电场下产 生高强度超声波； 3、能量转换：利用正压电效应，将机械能转换成电 能，作为高压发生器。
第二个字母： 填充空穴的电子所在 的能级 第三个字母： 发射俄歇电子的能级
俄歇效应与光电子发射效应不同： 光电子发射是一步过程，只涉及原子的一个能级； 俄歇效应是两步过程，涉及三个(至少两个)能级。
机理： 当原子内壳层的电子被激发形成一个空穴时，电子 从外壳层跃迁到内壳层的空穴并释放出能量。能量 有时以光子的形式被释放出来，也可以被转移到另 一个电子，使其从原子激发出来。这个被激发的电 子是俄歇电子。这个过程为俄歇效应。
T1 ＋ U(T > T ) 1 2
＋
T1 ＋ U(T > T ) 1 2
＋
(a)T1> T2 汤姆逊效应
(b)T1> T2
二、热电子效应 热电子效应： 固体受热后，出现大量 电子逸出固体，形成热 电子发射的现象。
阳极
电子管
微观机理： 固体受热，内部自由电 子动能增加，当温度足 够高，动能超过金属表 面的逸出功时，电子可 逃逸出固体表面形成热 电子发射现象。
N区
高浓度区域的载流子向低浓度区域扩散， 电子向P区扩散，空穴向N区扩散
载流子在PN结处复合，出现耗尽区。 内电场对多 数载流子的 运动起阻碍 作用，对少 数载流子的 运动起促进 作用。
形成由N区指向P 区的内电场。
PN结的光生伏特效应——在光的照射下，半导体 p-n结的两端产生电位 差的现象。
二、光电效应 光电效应——某些物质受到光照后，引起其电性能 发生变化，这种光致电变的现象称为 光电效应。 能量和状态改变 光子 相互作用 电子
被吸收或改变频率和方向
光电导效应 光生伏特效应 光电效应 光电子发射效应 贝克勒效应
俄歇效应
1、光电导效应 光电导效应——半导体受光辐射时，电导率增加 而变得易于导电的现象。 当有光照时，能量大于半 导体禁带宽度的光子 h E g 被价带电子吸收后跃迁到 导带成为自由电子，同时 产生空穴，增大载流子的 浓度，使电导率增大。
nx ny nx>ny
应用：温差制冷
帕尔贴效应制冷 制冷材料：碲化铋、硒化铋、碲化锑等
3、汤姆逊效应（Thomson Effect） 热电第三效应 当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横 向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度 梯度的方向而定。 热流
＋
热流
＋
I
－
－ T2 －
I
－
－ T2 －
应用：
3、光电子发射效应
光电子发射效应——金属受光照射后从其表面逸出 电子的现象。
光电子发射效应
光电子发射效应是光的粒子性的表现。
1 2 h m W 2 h —入射光子能量
W—金属的逸出功
1 2 m —电子的初动能 2
要求：h W
4、贝克勒效应
贝克勒效应—将两个同样的电极浸在电解质中， 其中一个被光照射，则在两个电极 间产生电位差的现象。 V
第六章
材料的功能转换
主要内容：热电转换、力电转换、电光转换、 光电转换、磁光转换、声光转换 要求：掌握各种性能转换的微观机理和宏观 表现，了解其相应的应用
力-热-电功能转化 电-光和光-电功能转换 磁-光和声-光效应
§6.1
力-热-电功能转换
电学 电场 E
压电性
热电性
应力 σ 力学
热弹性
温度 T
通过测量△V的变化实现对远距离热辐射目标 温度变化率的测量，可探测远距离热目标。
铁电体的自发极化可以被外电场所转向。
热电体具有自发极化，但自发极化不能被外电 场所转向，却很容易受温度的影响。常温下， 一般热电体温度变化1 ℃产生的极化强度约为 10-5 ℃/m2；
压电效应
压电效应——无电场作用，由机械应力的作用而使 电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象。 正压电效应 压电效应 逆压电效应
热学
热电性 热电效应 热电子效应 热释电性
一、热电效应 电位差 电流 都与电子运动有关 温度差 热流
热电效应
塞贝克效应 帕尔贴效应 汤姆逊效应
1、塞贝克效应(Seebeck Effect)(1821年) 热电第一效应 在两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触处 的温度不同时，回路中会产生电势和电流。
正压电效应： 某些电介质在一定方向上受到外力作用而变形时， 其内部产生极化现象，同时在它相对的两个表面上 出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
受到外力作用，石英晶体表面带上电荷
从不同方向给晶体施加外力，会产生不同的效果
逆压电效应： 在电介质的极化方向上施加交变电场，电介质会 发生交替的伸长和收缩，电场去除后，电介质的 变形随之消失的现象，或称为电致伸缩现象。
常温常压下，热电体分子具有极性，内部存在未被 抵消的电偶极矩，宏观极化强度不为零。但其在表 面吸附异号的自由电荷，使自身电场被屏蔽。
当温度变化时，极化强度改变，自由电荷跟不上极 化电荷的变化，显示出极性。
热电体材料主要有： 硫酸三甘肽(TGS)、铌酸锶钡、钽酸锂、钛酸铅等
应用：红外激光探测器
红外热辐射 热释电器件
h
x
Ey B (a)
B · + (b)
-
+ +
Ey
-
+U (c)
本质：光在样品表面产生非平衡载流子的浓度梯度， 载流子发生定向扩散。磁场使载流子受到洛伦 兹力，使正、负载流子发生空间上的分离，建 立一电场Ey。当洛伦兹力和电场力平衡时，建 立起一稳定电位差。
c、PN结光生伏特效应
电子 空穴
P区
1、波克尔效应 波克尔效应——物质折射率的变化量同外加电场强度 满足直线关系的电光效应。 即 △n = n – n0 = aE
异常光
正常光
入射光
压电晶体
2、克尔效应
克尔效应——物质折射率的变化量同外加电场强度 的平方满足直线关系的电光效应。 即 △n = n – n0 = bE2
异常光 正常光
入射光 各向同性物质 液体
PN结的光生伏特效应
机理： 当光照射时，光子进入P区、结区、N区，被吸收 而产生电子-空穴对。在每个区域非平衡的光生少 数载流子起作用，P区的光生电子若离结区的距离 小于电子的扩散长度，可靠扩散从P区进入结区， 被结内电场漂移至N区。若N区光生空穴离结区的 距离小于空穴的扩散长度，也可靠扩散进入结区， 被结内电场飘移至P区。在结内产生光生电子-空穴 对，被结内电场漂移到结的两端。P区一侧带正电， N区一侧带负电，从而建立一个与原内建电位差相 反的电位差，即光生电位差。 光电池材料：硅、CdS、GaAs等
介电体 32 压电体 热电体 铁电体
热电体与压电体、铁电体的关系
20
10
根据转动对称性晶体分为32种类型，非中心对称的 21种中有20 种具有压电性，其中具有极性的10种具 有热释电性，10种热电体中又有一部分具有铁典性。
§6.2 电-光和光-电功能转换
一、电光效应 物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象统称 为电光效应。 其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效 应分为波克尔效应和克尔效应。 某些各向同性的透明介质在外加电场作用下变为 各向异性，表现出双折射现象。
电势为温差电势 电流为热电流
塞贝克效应(T≠T0)
UA(T,T0)
微观机理： 高温端的高能电子向低温端 扩散，使低温端电子堆积带 负电，高温端缺少电子带正 电，导体内建立一由高温端 指向低温端的电场。当电子 热扩散力和电场力相等时， 两端间形成一稳定的温差电 位差UA(T,T0)，因两种金属不 同，电位差不会完全抵消。
三、热释电性 热释电效应——晶体因温度均匀变化而发生极化强度 改变的现象，即在晶体的一定方向上 产生表面电荷。
具有热释电效应的物质——热电体
热释电效应只发生在非中心对称并具有极性(自发 极化)的晶体中。
微观机理： - - - - + + + + + - - - - + + + + + a 常温
自由电荷层 - - - - - - - - - + + + + +++++ + + + + + + b 升温 - - - - -- + + + + + c 降温
(a)
h
+ -+-+
(b) X
-
-
达到稳定状态时，电场的大小 正好使电子流密度和空穴流密 度相等。这时在两端之间建立 一开路电压，称为扩散电压。
+
h + +