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1、2020/8/2,光信息科学与技术系,1,第二章 光电检测技术基础,2020/8/2,光信息科学与技术系,2,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体 电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间半导体,2020/8/2,光信息科学与技术系,3,半导体的特性,半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆厘米)。掺入
2、硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆厘米) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。,2020/8/2,光信息科学与技术系,4,本征和杂质半导体,本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。,2020/8
3、/2,光信息科学与技术系,5,平衡和非平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。,2020/8/2,光信息科学与技术系,6,非平衡载流子的产生,光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到
4、导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。,2020/8/2,光信息科学与技术系,7,载流子的输运过程,扩散 漂移 复合,2020/8/2,光信息科学与技术系,8,半导体对光的吸收,物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收 本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发,20
5、20/8/2,光信息科学与技术系,9,杂质吸收和自由载流子吸收,引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向. 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收,2020/8/2,光信息科学与技术系,10,激子和晶格吸收,指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。,2020/8/2,光信息科学与技术系,11,光电导效应、光生伏特效应和光热效应,光
6、电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。 包括： 外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化,2020/8/2,光信息科学与技术系,12,光电效应解释,物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 简单记为：辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。,2020/8/2,光信息科学与技
7、术系,13,光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因,光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。,2020/8/2,光信息科学与技术系,14,光电导效应,光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。 物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子
8、的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。 包括： 本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。,2020/8/2,光信息科学与技术系,15,本征光电导效应,本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。 即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即： hvEg 即存在截止波长：0=hc/Eg=1.24/Eg。,基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流 3、亮电导率和亮电流 4、光电导和光电流,2020/8/2,光信息科学与技术
9、系,16,基本公式：,暗电导率Gd=dS/L 暗电流Id= dSU/L 亮电导率Gl= lS/L 亮电流Il= lSU/L 光电导Gp= S/L 光电流Ip= SU/L,光电导效应示意图,2020/8/2,光信息科学与技术系,17,杂质光电导效应：杂质半导体,杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的电离能，则截止波长：0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。,常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有
10、机物。,2020/8/2,光信息科学与技术系,18,光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。 电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。 入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限C ， 若C 以m 计，E 以eV 计，则C与E的关系为 C = 1.24 / E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。,2020/8/2,光信息科学与技术系,19,一、光电导体的灵敏度 灵敏度通常指的是在
11、一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出： G = / tL ： （1） 式中为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有 tL = l /E = l2 /U （2） 将式（1）代入式（2）可得 G = U/l2,2020/8/2,光信息科学与技术系,20,式中l为光电导体两极间距；为迁移率；E为两极间的电场强度；U为外加电源电压。可知，光
12、电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距l的平方成反比。 如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为 G = (nn +pp )U/l2 式中n和p分别为自由电子和空穴的寿命；n和p分别为自由电子和空穴的迁移率。,2020/8/2,光信息科学与技术系,21,2、光电导弛豫过程,光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。,光电导对光强变化反应
13、的惰性引起光电流变化的延迟,当输入功率按照正弦规律变化时,输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。,2020/8/2,光信息科学与技术系,22,3、光电导增益,光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。可表示为: M=/dr 为器件的时间响应 dr为载流子在两极间的渡越时间,光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度.,光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即Mf=
14、常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。,2020/8/2,光信息科学与技术系,23,4、光电导的光谱分布 半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如PbS，PbSe，PbTe可以有效地利用到10m的红外光波段，而CdS可以有效地利用可见光到X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。(1)本征光电导的光谱分布,2020/8/2,光信息科学与技术系,24,一些典型的半导体本征光电导光谱
15、分布曲线,2020/8/2,光信息科学与技术系,25,由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，T.S.莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级
16、、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。,2020/8/2,光信息科学与技术系,26,(2)、杂质光电导的光谱分布 半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。,2020/8/2,光信息科学与技术系,27,掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线,2020/8/2,光信息科学与技术系,28,由图可以看出，光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激
