原子組成固體，特別是晶體的時(shí)候發(fā)生什么樣的變化？因?yàn)槲覍?shí)在不太知道高中的同學(xué)學(xué)了什么，但是我問(wèn)了一下我的博士生，他拿了一下高中的課本，他說(shuō)在化學(xué)里面學(xué)過(guò)這個(gè)，我說(shuō)很好。對(duì)于原子來(lái)講，它是有原子核跟圍繞在它外面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的電子，而且這個(gè)電子是在不同的軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。內(nèi)層是P軌道，外層是S軌道，這就是我們的單個(gè)原子。我們 把單個(gè)原子按照一個(gè)規(guī)律在空間做周期性的、非常緊密的排列，這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)生什么事？由于這時(shí)原子跟原子之間靠得很近，因此它的軌道之間就會(huì)產(chǎn)生一定的謀和，這種謀和是什么意思呢？比如說(shuō)S軌道就有一定的機(jī)率調(diào)到另外一個(gè)原子S軌道，這個(gè)軌道又可以跳到第三個(gè)原子的S軌道，內(nèi)層P軌道也能夠做這樣的運(yùn)動(dòng)，我們把這樣的運(yùn)動(dòng)就叫做電子在固體當(dāng)中的公有化的運(yùn)動(dòng)。有了這樣的變化，這個(gè)時(shí)候?qū)σ粋�(gè)固的能量狀態(tài)法變化。對(duì)于原子來(lái)講，一個(gè)P軌道，一個(gè)S軌道，它完全是一個(gè)封閉的能量�，F(xiàn)在把N原子按照一定的規(guī)律在空間排列以后，N的原子的軌道的能量就分開(kāi)一點(diǎn)了，就不再是一個(gè)能極了。同樣對(duì)P軌道也成了這樣一個(gè)能帶，在半導(dǎo)體當(dāng)中，是非常典型的，我們常常習(xí)慣把填滿(mǎn)電子的最高的能帶一般稱(chēng)價(jià)帶，這只是一個(gè)名詞而已，有時(shí)候叫它“滿(mǎn)帶”，就是全部填滿(mǎn)電子的帶。最高的沒(méi)有填電子的帶我們叫空帶，或者叫導(dǎo)帶。它們?cè)趦r(jià)帶跟導(dǎo)帶之間就是成為一個(gè)禁帶，就是在這個(gè)能量范圍里不存在任何能極狀態(tài)，這就是說(shuō)當(dāng)原子組合成固體、半導(dǎo)體以后發(fā)生了變化，一般我們把這個(gè)叫固體的能帶。

　　我們?cè)谌粘Ｉ�活�?dāng)中都會(huì)說(shuō)現(xiàn)在有絕緣體、金屬、半導(dǎo)體主要的區(qū)別。半導(dǎo)體是這樣的，在比較低的溫度下，最高填滿(mǎn)電子的大概是在這兒，上面不填電子的空帶是有一個(gè)能量間隙在這兒。一般的情況，如果說(shuō)沒(méi)有光照的話(huà)，這里面全是空的，沒(méi)有電子。一個(gè)物質(zhì)要導(dǎo)電，必須是有帶負(fù)電的電子能夠移動(dòng)，這上面沒(méi)有電子也不能導(dǎo)電。大家會(huì)說(shuō)在這兒有很多的電子，但是很遺憾，任何一個(gè)電子在電場(chǎng)當(dāng)中加速要運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它的能量一定要發(fā)生一點(diǎn)變化，但是在這兒所有的能量狀態(tài)都被填滿(mǎn)了，它動(dòng)不了，也就等于在一個(gè)教室里如果學(xué)生擠的滿(mǎn)滿(mǎn)的，誰(shuí)也動(dòng)不了，所以填在滿(mǎn)帶里面的電子對(duì)電導(dǎo)也是沒(méi)有貢獻(xiàn)的。但是金屬不一樣，它最高填有電子的能帶沒(méi)填滿(mǎn)，一半填滿(mǎn)了，一般就是填到EF的痕跡，如果對(duì)這樣的金屬，加上一個(gè)電場(chǎng)，就會(huì)有電流流動(dòng)，在EF的電子在電場(chǎng)當(dāng)中運(yùn)動(dòng)能量發(fā)生一點(diǎn)變化，有空的狀態(tài)可以接納它，因此可以導(dǎo)電。

　　再回過(guò)來(lái)提醒大家一下，當(dāng)時(shí)所謂的光電效應(yīng)就是用一個(gè)紫外光照射一個(gè)鉛金屬，這是鉛金屬最高的填有電子的能帶。在我解釋這個(gè)事情以前來(lái)做一個(gè)比喻，我們打一個(gè)深水井，想把井底的水抽到上面來(lái)的時(shí)候，一定要加一個(gè)水泵，這個(gè)水泵一定要提供這樣的能量，能夠克服從井底的水面到井口的能量，加速度乘上具體的能量，這個(gè)時(shí)候就顯然是不能用水泵了，就用光泵，用具有一定光子能量的光照射它，這個(gè)光子的能量一定要大于功函數(shù)。這個(gè)功函數(shù)就是從電子海的水平面一直到真空的自由能極這段距離，只要光子能量大于能量間隙電子，就可以跑出這樣一個(gè)金屬，這就是當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦解釋的光電效應(yīng)。

　　我不能妄加評(píng)論，我講的愛(ài)因斯坦得諾貝爾獎(jiǎng)的故事，實(shí)際上狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論比光電效應(yīng)稍微次一點(diǎn)，就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有人理解他的相對(duì)論，只好拿這個(gè)授予他諾貝爾獎(jiǎng)。

　　下面我們講一下從當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦提出的外光電效應(yīng)，為什么加一個(gè)WV？就是光照的金屬里面把光真正從金屬里面打出來(lái)，在非常多的場(chǎng)合以下我們發(fā)現(xiàn)沒(méi)有必要一定要把電子打出固體來(lái)，在半導(dǎo)體里面我們這是一個(gè)填滿(mǎn)的價(jià)帶，這中這個(gè)能量間隙叫禁帶的寬度。在半導(dǎo)體光中內(nèi)光電效應(yīng)是什么呢？就是我們的如射光子的能量大于禁帶的寬度，這個(gè)時(shí)候就可以在導(dǎo)帶里面產(chǎn)生一個(gè)帶負(fù)的電子，同時(shí)在填滿(mǎn)代帶的里面就有一個(gè)空穴，原來(lái)空的導(dǎo)帶里面有電子了，在電場(chǎng)作用之下就會(huì)產(chǎn)生電流，價(jià)帶也不同樣如此。這個(gè)光照就一下子改變了我們的半導(dǎo)體的導(dǎo)電率，就便的很導(dǎo)電了，這個(gè)現(xiàn)象是非常重要的，我們下面會(huì)講，從愛(ài)因斯坦的外光電效益到半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)的應(yīng)用是怎么樣的。

　　半導(dǎo)體可以采取對(duì)半導(dǎo)體摻上一些特殊的元素，可以變成叫N型的半導(dǎo)體，一種叫P型的半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體主要是由電子起作用，P型的半導(dǎo)體，主要是填滿(mǎn)帶里的正電起作用，一般叫它空穴。把這兩個(gè)半導(dǎo)體緊密地連接在一起的時(shí)候，N電子比較多，有一部分要擴(kuò)散到P型里，任何電荷總是多的地方往少的地方走。同時(shí)，空穴原來(lái)P型里比較多，就要跑到N型里。達(dá)到平衡的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)N型帶負(fù)電，這是能量坐標(biāo)，用電子磁帶是負(fù)電荷，所以它的勢(shì)能是高的，這時(shí)在N跟P型半導(dǎo)體的接觸面的地方形成了內(nèi)建的電場(chǎng)。因?yàn)檫@個(gè)地方有勢(shì)能的差，這邊是帶負(fù)電，那邊是帶正電的，正負(fù)電荷之間就存在一個(gè)電場(chǎng)。

　　如果制造了P、N型以后就很好了，用一個(gè)光照過(guò)來(lái)，光子的能量大于禁帶的寬度以后，在導(dǎo)帶里產(chǎn)生負(fù)電荷電子，在價(jià)帶里產(chǎn)生了正電和空穴。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，正電跑到這兒，空穴跑到那兒。比如太陽(yáng)能電池，各種各樣的光電探測(cè)器，基本原理都是從這個(gè)地方來(lái)的。