原子組成固體，特別是晶體的時候發(fā)生什么樣的變化？因為我實在不太知道高中的同學學了什么，但是我問了一下我的博士生，他拿了一下高中的課本，他說在化學里面學過這個，我說很好。對于原子來講，它是有原子核跟圍繞在它外面進行運動的電子，而且這個電子是在不同的軌道上進行運動的。內(nèi)層是P軌道，外層是S軌道，這就是我們的單個原子。我們 把單個原子按照一個規(guī)律在空間做周期性的、非常緊密的排列，這個時候會發(fā)生什么事？由于這時原子跟原子之間靠得很近，因此它的軌道之間就會產(chǎn)生一定的謀和，這種謀和是什么意思呢？比如說S軌道就有一定的機率調到另外一個原子S軌道，這個軌道又可以跳到第三個原子的S軌道，內(nèi)層P軌道也能夠做這樣的運動，我們把這樣的運動就叫做電子在固體當中的公有化的運動。有了這樣的變化，這個時候對一個固的能量狀態(tài)法變化。對于原子來講，一個P軌道，一個S軌道，它完全是一個封閉的能量。現(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一點了，就不再是一個能極了。同樣對P軌道也成了這樣一個能帶，在半導體當中，是非常典型的，我們常常習慣把填滿電子的最高的能帶一般稱價帶，這只是一個名詞而已，有時候叫它“滿帶”，就是全部填滿電子的帶。最高的沒有填電子的帶我們叫空帶，或者叫導帶。它們在價帶跟導帶之間就是成為一個禁帶，就是在這個能量范圍里不存在任何能極狀態(tài)，這就是說當原子組合成固體、半導體以后發(fā)生了變化，一般我們把這個叫固體的能帶。

　　我們在日常生活當中都會說現(xiàn)在有絕緣體、金屬、半導體主要的區(qū)別。半導體是這樣的，在比較低的溫度下，最高填滿電子的大概是在這兒，上面不填電子的空帶是有一個能量間隙在這兒。一般的情況，如果說沒有光照的話，這里面全是空的，沒有電子。一個物質要導電，必須是有帶負電的電子能夠移動，這上面沒有電子也不能導電。大家會說在這兒有很多的電子，但是很遺憾，任何一個電子在電場當中加速要運動的時候，它的能量一定要發(fā)生一點變化，但是在這兒所有的能量狀態(tài)都被填滿了，它動不了，也就等于在一個教室里如果學生擠的滿滿的，誰也動不了，所以填在滿帶里面的電子對電導也是沒有貢獻的。但是金屬不一樣，它最高填有電子的能帶沒填滿，一半填滿了，一般就是填到EF的痕跡，如果對這樣的金屬，加上一個電場，就會有電流流動，在EF的電子在電場當中運動能量發(fā)生一點變化，有空的狀態(tài)可以接納它，因此可以導電。

　　再回過來提醒大家一下，當時所謂的光電效應就是用一個紫外光照射一個鉛金屬，這是鉛金屬最高的填有電子的能帶。在我解釋這個事情以前來做一個比喻，我們打一個深水井，想把井底的水抽到上面來的時候，一定要加一個水泵，這個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，這個時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，這個光子的能量一定要大于功函數(shù)。這個功函數(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金屬，這就是當時愛因斯坦解釋的光電效應。

　　我不能妄加評論，我講的愛因斯坦得諾貝爾獎的故事，實際上狹義相對論和廣義相對論比光電效應稍微次一點，就是因為當時沒有人理解他的相對論，只好拿這個授予他諾貝爾獎。

　　下面我們講一下從當時愛因斯坦提出的外光電效應，為什么加一個WV？就是光照的金屬里面把光真正從金屬里面打出來，在非常多的場合以下我們發(fā)現(xiàn)沒有必要一定要把電子打出固體來，在半導體里面我們這是一個填滿的價帶，這中這個能量間隙叫禁帶的寬度。在半導體光中內(nèi)光電效應是什么呢？就是我們的如射光子的能量大于禁帶的寬度，這個時候就可以在導帶里面產(chǎn)生一個帶負的電子，同時在填滿代帶的里面就有一個空穴，原來空的導帶里面有電子了，在電場作用之下就會產(chǎn)生電流，價帶也不同樣如此。這個光照就一下子改變了我們的半導體的導電率，就便的很導電了，這個現(xiàn)象是非常重要的，我們下面會講，從愛因斯坦的外光電效益到半導體的內(nèi)光電效應的應用是怎么樣的。

　　半導體可以采取對半導體摻上一些特殊的元素，可以變成叫N型的半導體，一種叫P型的半導體。N型半導體主要是由電子起作用，P型的半導體，主要是填滿帶里的正電起作用，一般叫它空穴。把這兩個半導體緊密地連接在一起的時候，N電子比較多，有一部分要擴散到P型里，任何電荷總是多的地方往少的地方走。同時，空穴原來P型里比較多，就要跑到N型里。達到平衡的時候，就發(fā)現(xiàn)N型帶負電，這是能量坐標，用電子磁帶是負電荷，所以它的勢能是高的，這時在N跟P型半導體的接觸面的地方形成了內(nèi)建的電場。因為這個地方有勢能的差，這邊是帶負電，那邊是帶正電的，正負電荷之間就存在一個電場。

　　如果制造了P、N型以后就很好了，用一個光照過來，光子的能量大于禁帶的寬度以后，在導帶里產(chǎn)生負電荷電子，在價帶里產(chǎn)生了正電和空穴。在內(nèi)建電場的作用下，正電跑到這兒，空穴跑到那兒。比如太陽能電池，各種各樣的光電探測器，基本原理都是從這個地方來的。