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1、,第二章 光电检测技术基础,第一节 辐射度量与光度量 一、光的物理基本性质 二、光的物理表征第二节 光电检测器件的物理基础 一、半导体的物理基础 二、物理效应和基本定律第三节 光电检测器件的工作原理与特性,教学目的：1、了解光的基本性质和辐射度量及光度量等各参数的概念和表示方法；2、了解半导体的特性、半导体的导电结构，掌握能级能带的理论及PN结的形成过程、势垒的概念、掌握载流子的运动，非平衡的PN结有什么特点，半导体对光的吸收等知识；3、光电效应的概念、分类、光电导效应、光生伏特效应。,第一节 辐射度量与光度量 一、光的基本性质 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒
2、子。 几何光学依据光的波动性研究了光的折射与反射规律，得出了许多光的传播、光学成像、光学成像系统和成像系统像差等理论。 物理光学依据光的波动性成功地解释了光的干涉、衍射等现象，为光谱分析仪器、全息摄像技术奠定了理论基础。然而光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。,光子具有动量和能量，并分别表示为： 动量： 能量：其中， ，为普朗克常数； 为光的振动频率（ ） ，为光在真空中的传播速度。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时所引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。,图2-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义，称为电磁波谱。电磁波谱的频率范围很宽：从宇宙射线的无线电波
3、，几pm 上千米的波长。 光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长从几纳米到几毫米，即,可见光：这些光并不是人眼都能看得见的。其中只有波长从约0.36 m到0.78 m的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。波长780nm-380nm从长到短依次为红、橙、黄、绿、蓝、紫。,二、光的物理表征（辐射度参数与光度参数） 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种： 物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，
4、对辐射量进行物理的计量； 生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。,辐射度量和光度参数在概念上不一样，但它们的计量方法有很多相同之处，常用相同的符号表示，为区别，右下角标“e”表示辐射度参数，标“v”或不标表示光度参数。1、关于辐射源的参数 计量辐射源在辐射波长范围内发射连续光谱或单色光谱能量的参数。辐射能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。用 表示，单位为 。,光能是光通量对时间的积分，以 表示，单位 辐射通量和光通量辐射通量又称辐射功率，单位为W（1W=1 ） 以辐射形式发射
5、、传播或接收的功率： t时间内，单位发射、传播或接收的辐射能不随时间变化，则,光通量 ，单位为 ，光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值： 与辐射通量的关系， （ 内光源的辐射通量）、 为人眼的光谱光视效率（即视见函数）。 ，波长为555nm， 可见光之外， =？。辐射出射度和光出射度 辐射体单位发射面积辐射的通量或功率称为辐射出射度,光源表面给定点处单位面积向半球面空间发射的光通量 辐射强度和发光强度 对点光源发出的，单位时间内，单位立体角辐射出的能量为辐射强度： 对可见光来说，发光强度：,辐射亮度和亮度由辐射表面定向发射的辐射强度为辐射亮度，等于该方向上的辐射强度 与辐射表面在该方向垂直面上的
6、投影面积之比，表达式：对于可见光来说：,2、与接收器有关的参数辐照度与照度辐照度：单位面积内所接收到的辐射通量。光照度：被照明物体单位面积上的入射光通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,3、光谱辐射度量（辐射量的光谱密度） 为了表征辐射不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组份。因为光源发出的光，往往由许多波长的光组成，为了研究各种波长的光所分别辐射的能量，还需要引入光谱辐射度量的概念。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量，其量和单位见表13。,第二节 光电检测器件的物理基础一、半导体的物理基础 多数现代电子器件是有性能介于导体和绝缘体之间 的半导体制成的。 这里的性能指导电能力
7、、电阻率。 电子器件中，常用的半导体材料有： 元素半导体：硅、锗、硒等； 化合物半导体：砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1- xAlxAs)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等；,导体,半导体,绝缘体,103,1012,以电阻率界限定义,铜，银等,硅，锗等,硫化镉,云母，琥珀,1、半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化非常敏感。根据这一特性，制作了许多半导体热探测元件。2、半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；渗入锑可得到N型半导体。3、半导体的导电能力及性质会受热、光、
8、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。例如沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十干欧，甚至更小。,纯硅在室温下的电导率为51061cm-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，电导率却上升至2-1cm-1，几乎增加了一百万倍。,沉积在绝缘板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧。,4、半导体的导电结构不同于其他物质,4.1导电的原理原子：由带正电的原子核与一些带负电的电子组成的能级：电子绕核稳定运动的能量称为能级（里低内高）能带：能量区域密集的能级成为能带价带、导带、禁带、空
9、带（空的导带）,在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动的基础上迭加了定向运动，从而形成了电流。导带：电子浓度越高，导电能力愈强-电子导电的价带：电子的空位浓度愈高，导电能力愈强-空位导电的，电子的空位称为空穴。电子、空穴，均称为载流子。,电子运动的三个特点：1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态所确定的能量称为能级。越外层能量越高；2）严格讲原子中没有完全确定的轨道；3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个自旋方向相反的电子。,1）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为晶体；2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有，而是在
10、整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化；3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。,电子的共有化运动,1）能量区域中密集的能级形象称为能带；2）能量最高的价电子填满的能带称为价带； 3）能量最低的能带为导带，中间为禁带；4）绝缘体、半导体、导体的能带情况；,晶体中电子的能带,晶体的能带,非平衡载流子,（1）定义：在外界作用下，电子空穴的产生率大于复合率，导致载流子数目增加，这种增加的电子空穴称为非平衡载流子。（2）寿命：复合率=n/，式中,，为常数，称为非平衡载流子的寿命。其物理意义：（1）标志着非平衡载流子复合的快慢；（2）非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e所需的
11、时间；（3）非平衡载流子的平均存在时间。（3）复合：（1）直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上而与空穴结合失去其自由态的过程。（2）间接复合：导带电子通过复合中心（由于半导体中晶体结构的不完整性和杂质的存在，在禁带内存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子与自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心）与价带上的空穴复合。（4）陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用。,5、PN结与载流子的运动5.1 PN结 PN结就是P型半导体和N型半导体交界的地方，这个交界处虽然很薄，但有许多特殊的电性能，它是晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件的核心部分。因此，它是整个半导体器件最重要的概念之一
12、。 在一块半导体晶体的不同部位掺入不同的杂质，使得这块晶体的一部分呈P型半导体，另一部分呈N型半导体，则在P型和N型的交界处就形成了PN结。,5.2 载流子的运动（扩散和漂移） 当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在它们交界的地方就要发生电子和空穴的扩散运动。因P区有大量的空穴(电子很少)，N区有大量的电子(空穴很少)。,这样，在P型和N型半导体的交界处就出现了浓度差，电子和空穴都要向浓度小的地方运动。形成空间电荷区，即如下图所示的内建电场：,内建电场阻碍空穴和电子的继续扩散，对空穴来说，电场力要把空穴推到P区，对电子来说，电场力要把电子拉到N区，电场力对载流子的这种作用叫做漂移作用由此可见
13、，漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾，有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状态，形成PN结。,由于空间电荷区存在着电场，所以在空间电荷区的两边就有电位差，这个电位差叫做接触电位差，通常也称为内建电场。一般硅PN结的接触电位差为0.5-0.8V，锗PN结的接触电位差为0.1-0.3V。,5.3 PN结的单向导电特性 如果在PN结上加一电压，当P区接正而N区接负时就有一定的电流通过，并且随外加电压的升高电流迅速增大；当P区接负而N区接正时，电流就
14、很微小并且电流数值与外加电压关系不大。这就是PN结的单向导电特性。 P区接正N区接负，叫正向偏置，这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压；P区接负N区接正，叫反向偏置，这时的外加电压称反向电压或反向偏置电压。,PN结加正向电压 由于阻挡层的电阻远大于P区和N区的体电阻，所以整个外加电压基本上全部加在阻挡层上此时，外加电压产生的电场与内建电场方向相反，从而使PN结中,总的电场减弱，这样PN结的平衡状态被破坏，P区中的空穴就不断地穿过空间电荷区向N区移动，而N区的电子也不断地穿过空间电荷区向P区移动。,虽然电子和空穴的运动方向相反，但它们所形成的电流却是相加的，即正向电流等于电子电流与空穴电流之
15、和，从而形成比较大的正向电流，如图所示。,当P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动时，它们首先就要和PN结中原来的一部分正负离子中和，结果使PN结变窄，其内建电位差比原来平衡时的数值减少了。当正向电压升高时，PN结中的电场就减弱得更多，P区移向N区的空穴就愈多，N区移向P区的电子也增多，因此正向电流随正向电压的增加而迅速上升。PN结表现为一个很小的电阻。,PN结加反向电压 N区接电源的正极，P区接电源的负极，这是PN结反向运用的情况。此时，外加电压产生的电场方向与内建电场的方向一致，PN结中总的电场加强了。在外加电场的作用下，阻挡层左边P区的空穴和阻挡层右边N区的电子都将进一步离开PN结，于是
16、阻挡层(空间电荷区)加宽了，阻挡层两端的电位差也增加了因此，P区和N区的多数载流子穿过阻挡层的扩散运动受阻，由多数载流子形成的电流等于零。,实际上，PN结在反向工作时还有一定的微小电流，这是由P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴)在电场力的作用下形成的称为PN结的反向电流，它的大小与外加电压基本无关，但它随温度而变化由于反向电流一般很小(因P区的电子和N区的空穴很少)，PN结表现为一个很大的电阻，所以仍认为PN结外加反向电压时基本上不导电 综上所述，PN结加正向电压时，PN结电阻很小，电流畅通；PN结加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，接近于零，PN结不导通。所以，PN结具有单向导电特性,
