《第二章光电技术讲义资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章光电技术讲义资料（172页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量如电量(因方便、准确)， 这样的器件叫光辐射探测器，又叫光电探测器。,光辐射探测器的物理效应主要是： 光热效应和光子效应。,指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。,特点光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。,光子效应：,探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。,特点原则上对光波频率没有选择性，
2、响应速度一般比较慢。,光热效应：,在红外波段上，材料吸收率高，光热效应就更强烈，故广泛用于对红外线辐射的探测。,麻雀精神.ppt,勤学.辍学.ppt,现代许多光电器件都是由半导体材料制作的，掌握一些半导体的基本知识，对于正确理解光电器件的原理、特征及其正确选用是十分重要的。,在第一章中，已经介绍了半导体材料及其能带理论，下面首先介绍半导体中载流子的相关知识。,一、 半导体中的载流子,半导体中，能参与导电的自由电子和自由空穴统称为载流子。单位体积内的载流子数称为载流子浓度。,在本征半导体中，自由电子浓度 ni 等于自由空穴浓度pi。本征半导体的导电性能与载流子浓度 ni 密切相关， ni 大，导
3、电性就高。 ni 随温度的升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。载流子增多，导电性增强。,在N型半导体中，电子浓度nn远大于空穴浓度pn 。即电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。室温下可以认为： （施主浓度）。,在P型半导体中，电子浓度np远小于空穴浓度pp，即空穴为多子，电子为少子。全电离时， （受主浓度）。,1、热平衡状态下的载流子浓度,热平衡条件下，根据费米公式可得出导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度公式如下：,式中，Nc是导带有效能态密度，Nv是价带有效能态密度。,上两式说明自由电子浓度和自由空穴浓度都是温度的函数。在温度一定时与费米能级位置呈指数关系。,如果把上
4、两式相乘，可得：,在本征半导体中，自由电子浓度等于自由空穴浓度，故： 此为平衡态判据。,掺杂半导体中，多子浓度约为所掺杂质原子的浓度NA或ND，故少子浓度为： 或,2、非平衡状态下的载流子,在热平衡态下载流子浓度是恒定的，但若外界条件发生变化，如光照、外电场作用等，载流子浓度就随之发生变化。,（1）半导体对光的吸收,本征吸收,本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，这一过程称为本征吸收。此时载流子浓度比热平衡下浓度要大，增加的载流子称为光生载流子。,产生本征吸收的条件是，入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度：,或,h普朗克常数；c光速；光波长。,最小光子能量为：,式中波长为长波限。由
5、下列公式计算：,杂质吸收,掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂质吸收。,显然，引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能。和本征吸收一样，杂质吸收也存在着波长阈值。不过一般杂质电离能都比禁带宽度小得多。,杂质吸收的长波限为：,式中，Ed为施主电离能；Ea为受主电离能。,其它吸收还有自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收等。这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发载流子浓度。,（2）光致非平衡载流子,半导体受光照，产生光生载流子。这时，自由载流子浓度就比热平衡时的浓度要大，即打破了原来的平
6、衡。若停止光照，光生载流子就不再产生，载流子浓度因电子与空穴复合而逐渐减小，又恢复到热平衡。,若无光照时载流子的浓度为p和n，加光照后载流子浓度的增量为p 和n，p = n 。,通常热平衡下多子浓度约为1015cm-3，少子浓度约为104cm-3。光照时， p、 n约为1010cm-3。,可见，光照时多子浓度几乎不变，少子浓度却大大增强，故一切半导体光电器件对光的响应是少子的行为。,只要有自由电子和空穴，载流子复合过程就存在。光生载流子停留在自由状态的时间即平均生存时间称为光生载流子的寿命。它是一重要参量，表征复合强弱和决定光电器件的时间特性。,3、载流子的扩散与漂移,（1）扩散,载流子因浓度
7、不均匀而发生的定向运动称为扩散。,当材料的局部受到光照时，材料吸收光子产生光生载流子，在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度要高。这时电子将从浓度高的点向浓度低的点运动，使自己在晶体中重新达到均匀分布。,由于扩散作用，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它们正比于光生载流子在某一方向上的浓度梯度。即:,这里，Dn、Dp分别是电子的扩散系数和空穴的扩散系数；q是载流子电量。,或,（2）漂移,载流子在电场作用下所发生的运动称为漂移。在电场中电子与电场反向漂移，空穴则与电场同向漂移。,载流子在弱电场中的漂移运动服从欧姆定律，在强电场中的漂移运动因有饱和或雪崩等现象则不服从欧姆定律。这里只讨论服从欧姆定
8、律的漂移运动。,欧姆定律的微分形式表示为电流密度矢量等于电场强度矢量与材料的电导率之积。即：,而,式中n为电子浓度、q为电子电量、v为电子漂移的速度，n为电子迁移率。,联立以上式解得：,同理，对于空穴电流有：,二、 光电导效应,当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率的增大，这种现象称光电导效应。,光电导现象半导体材料的“体”效应,潜能.ppt,、稳态光电导与光电流,半导体两端涂有电极，设A为横截面面积，L为长度，沿x方向加有弱电场，在y方向有均匀光照。,无光照时，材料具有一定的电导，称为暗电导；有光照时的电导为亮电导。亮电导和暗电导之差称为光电导。,若外
9、加电压，则也有暗电流和亮电流之分。亮电流和暗电流之差称为光电流。,以G表示电导，表示电导率，I表示电流，则光电导和光电流为：,而半导体光致电导率变化量为：,在光辐射作用下，假定每单位时间产生N个电子-空穴对，它们的寿命分别为n和p ，,于是：,定义光电导增益M为：光生载流子在电场作用下所形成的外部电流与光生载流子形成的内部电流(qN)之比。,M可表示为：,Mn为光电导体中电子增益系数；Mp为空穴增益系数。,则由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为 ：,则电子、空穴增益系数另表示为：,半导体电子和空穴的寿命是相同的，若用载流子的平均寿命来表示它们的寿命，则本征型光电导器件增益系数：,因速度为
10、光电子在两极间的渡越时间为：,如果定义,故灵敏的光电导器件，会有大的增益系数，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益就可大于1。显然，减小电极间的间距，适当提高工作电压，对提高M值有利。但是，如果减得太小，使受光面太小，也是不利的。,为载流子渡越极间距的有效时间。,则,、 调制光照,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定时间。同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失。这个过程称光电导驰豫。其原因是非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的。,半导体材料受矩形脉冲光照时，其光电导驰豫过程见图：,阶跃受光时，有:,G为光生载流子产生率，n/ 为复合率，为载流子寿命。,阶跃停光时，有:,以
11、上两式解得:,故：t =时，上升到稳态值的0.63，称上升时间常数；下降到稳态值的0.37，为下降时间常数。可见，光电导驰豫的时间常数就是载流子的寿命。,对于正弦型光照，有关系式：,可得出：,可见，随着升高，n的幅值下降。,当,则:,有:,可见，载流子寿命决定了光电导的上限截止频率。,此结论具有普遍性：表示材料的光电灵敏度与频率带宽是矛盾的。光电灵敏度高的材料，带宽较窄。原因是载流子寿命与M成正比，又与截止频率成反比。,叫上限截止频率或3dB带宽(记为 ),由以上推导可以看出光电增益与带宽之积为一常数：,三、 光伏效应,当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。在自建场的
12、作用下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。,光伏现象半导体材料的“结”效应。,PN结具有整流效应，即单向导电性。,在施加外电压时，若P区接正端，N区接负端，称为正向偏置。这时，通过PN结的电流随着电压的增加急剧上升。若反向偏置，电流数值很小，而且趋于饱和.,对热平衡状态下的PN结，有PN结电流方程:,I0反向饱和电流。,光照PN结，产生的电子-空穴对被自建场分离，空穴流入P区，电子流入N区，结果耗尽区宽度变窄，接触电势差减小。其减小量即是光生电势差。这样，入射的光能就转变成流过PN结的光电流，方向与PN
13、结反向饱和电流相同。,因此光照下PN结的电流方程为：,若入射光的辐通量为，光电流灵敏度为S，则光电流为：,在短路( ) 下，U=0，得到短路电流为：,在开路( ) 下，I = 0，得开路电压：,和 是光照PN结的两个重要参量。,四、 光电发射效应,某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。,光电发射效应是真空光电器件光电阴极的物理基础。,光电子所具有的最大初动能由爱因斯坦定律给出：,式中，me为光电子的质量，v为出射光电子的最大初速度，W发射体材料的逸出功。,由式可知，光子的最小能量必须大于光电材料的逸出功，否
14、则电子就不会逸出物质表面。,这个最小能量对应的波长叫阈值波长（或称长波限）。计算式为：,爱因斯坦.ppt,良好的光电发射体，需具备三个基本条件：光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大。,金属材料的电子逸出功是从费米能级算起至真空能级之间的能量差。,金属光电发射材料，光电发射过程：金属中的电子吸收光子后获得动能，在向表面运动过程中，因碰撞而损失部分能量，到达表面的电子克服势垒而逸出。,由于金属对光吸收少、反射强，体内大量的电子易散射而损失能量，逸出深度小，并且逸出功也较大，因此金属光电发射的量子效率都很低。,同时大多数金属的光谱响应都在紫
15、外或远紫外区，因此只能适用于要求对紫外敏感的光电器件。,随着光电器件的发展，特别是微光夜视器件的发展，要求在可见光、近红外和红外范围都要有量子效率高的光电发射材料，故半导体光电发射材料得到应用,对于半导体光电发射材料，电子逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需要的最低能量Eg，另一部分是从导带底逸出表面所需的最低能量，一般称为材料的亲和势EA。,半导体光电发射的量子效率远高于金属。,半导体的电子逸出功与电子亲和势密切相关。,表面真空能级位于导带之上的光电材料属正电子亲和势（PEA）。,PEA阈值波长：,但若给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从
16、而使电子亲和势为负值，经这种特殊处理的材料称作负电子亲和势材料(NEA)。,NEA材料的电子逸出功大大降低，从而使光谱响应可扩展到红外区。 NEA的阈值波长：,下面以Si-Cs2O材料为例介绍负电子亲和势的形成。,Si-Cs2O是在P型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成N型Cs2O。形成PN结。,本来P型Si的发射阈值 ，电子受光激发进入导带后需克服亲和势 才能逸出表面。,对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为：,现因表面存在N型薄层，使耗尽区电位下降，电位降低 。光电子在表面附近受到自建电场的作用，从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。,由于能级弯曲，使 ，这样就形成了负电子亲和势。,当光辐射照射到光吸收体上，材料将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为晶格热运动能量，称为光热效应.,由于热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如温度、体积、电阻、热电动势等。通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，由光热效应制成的光探测器统称为光热探测器。,光热探测器对光辐射的响应有两个过程：首先，器件吸
