光电子复习参考第4章

《光电子复习参考第4章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子复习参考第4章（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.光电探测器主要利用哪些物理 效应？哪些属于外光电效应？哪 些属于内光电效应？4.1 光电探测器的物理效应凡是把光辐射量转换为电量的光探测器，都称为光电探测器。光电转换的实现主要是利用物理效应：光子效应 光热效应 光电磁效应在每一类中又分为若干细目，详细分类见讲义表4-1。光子效应分类： 外光电效应: 光电发射效应 内光电效应: 光电导效应，光伏效应，光电磁效应。2.何为光子效应？其物理实质、 特点及分类是什么？利用光子效 应制作的探测器有哪些？1 光子效应定 义：单光子对产生的光电子起直接作用的光电效应。物理实质：光子直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子效应的特点： 光子能量大小,

2、 直接影响内部电子状态改变的大小； 光子能量为h，光子效应对光波频率表现出选择性； 在光子直接与电子作用下，响应速度一般较快。探测器见书106页表光电管，光电倍增管，像增强管，光导管 或光敏电阻，光电池，光电二极管，雪崩 光电二极管，肖特基势垒光电二极管，光 电磁探测器，光子牵引探测器3.何为光电发射效应？其数学表达 式及物理意义是什么？光电发射效 应产生的条件是什么？利用光电发 射效应制作的探测器有哪些？（1）光电发射效应（外光电效应）定义：在光照下，物体向表面的外空间发射电子（光电子）的现象称为光电发射效应。数字表达式：著名爱因斯坦方程描述了光电发射效应.或 其中： ：电子离开发射体表面时

3、的动能， m：电子质量， ：电子离开时的速度， ：光子能量，：光电发射体的功函数（逸出功），从材料表面逸出时所需的最低能量。爱因斯坦方程的物理意义：如果发射体内的电子吸收的光子能量大于发射体功函数的值，电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。 光电子发射效应产生的条件式中: : 表示电子逸出表面的速度大于零;= : 表示电子以零速度逸出，即静止在发射表面上；：产生光电发射的入射光波的截止频率。 如用波长表示，则为：因为： ， - 产生光电发射的入射光截止波长（普朗克常数）所以：可见： 小的发射体，需要 大的光辐射产生光电发射；大的发射体，需要 小的光辐射产生光电发射。探测器：光电管4.何为光电导

4、效应？利用光电导 效应制作的探测器有哪些？（2）内光电效应当光照射物体时，光电子不逸出体外的光电效应 光电导效应光电导效应只发生在半导体材料中，金属没有光电导效应。* 金属导电：由于金属原子形成晶体时，产生大量的自由电子，自由电子的浓度 n=常数，不受外界因素影响。* 半 导 体：在 0oK 温度时，导电载流子浓度= 0；在 0oK 温度时，由于热激发产生载流子（电子、空穴），在扩散过程中又受到复合作用而消失。在热平衡条件下，单位时间内：热生载流子产生数目=因复合而消失的数目因此，在热平衡下，导带和价带维持着一定数目的电子和空穴浓度，它们的平均寿命分别表示为： 和 。在外电场 E 作用下，载流

5、子产生漂移运动，载流子的迁移速率定义如下：式中：V-外加电压；L-半导体的长度；-漂移速度。因为载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描 述，所以：定义半导体的电导率：半导体的截面积是A，则其电导G（热平衡暗电导）为：所以半导体的暗电阻为： 若入射光波长满足如下条件：本征半导体 掺杂半导体则光子在半导体中激发出新的载流子(电子和空穴).即在原来热平衡载流子浓度值上，增加了n、p,称其为非平衡载流子，亦称为光生载流子。显然，在无光照射时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓度，因而样品具有一定的暗电导率，其表达式为：光照射后，产生光生载流子，则光照稳定情况下的电导率为： 光电导率为： 光电导则为

6、：上式也可变为： N型杂质P 型杂质对本征情况，如果：式中： N -光辐射每秒钟产生的电子-空穴对数目，AL -半导体体积 ， ， -电子和空穴的平均寿命。所以，本征光电导为：其中：eN-光辐射每秒钟激发的电荷量由于光电导的增益G，使外回路产生电流增益i：式中V是外电压。 从上式可见，电流增量i并不等于每秒钟激光发射 的电荷量eN，于是定义：M - 光电导体的电流增益。对n型半导体：电子在外电场作用下，渡越半导体长度 L 所花费的时间，称为渡越时间。当 时，M 1，就有电流增益效果。 探测器：光导管或光敏电阻5.何为光伏效应（结合pn结图示 说明）？请画图说明短路光电流 是如何产生的？并推导出

7、其数学 表达式。光伏效应光电导效应是半导体材料的体效应，光伏效应则是半导体材料的“结”效应。实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对 分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特 效应。由于所用材料不同，内部电势垒可以是：半导体p-n结势垒，金属与半导体接触的肖特基势垒，以及异 质结势垒等等。本节主要讨论 p-n 结的光伏效应的原理。p-n结的特性* 在零偏状态下n 型材料中， ，p型材料中， ；在 p-n 结处，空穴向 n 区、电子向 p 区扩散运动；p 区 留下带负电的电离受主，n 区留下带正电的电离施主；正负粒子在结区附近形成空间电荷区，

8、称为耗尽区；区内 存在一电场为内建电建，方向由 n 到 p;在内建电场作用下,载流子出现漂移运动，电子由p到n区， 空穴由n到p区;漂移运动方向与扩散运动方向相反，在结区建立了相对稳 定的内建电场;此时没有静电流流过pn结。P-n结两端无电压，为零偏状态。* 在正偏状态下：由于耗尽区的电阻远比体电阻大，外加电压V几乎全部降 落在耗尽层上，势垒高度降低到 ，空间电荷变窄。 扩散与漂移的关系被破坏， 扩散电流增加，外加电路 中形成正向电流，能级图 如图所示。* 在反偏状态下：当p-n结反向偏置时，施加的电压方向与自建电场的方向相同，势垒高度增加( )，空间电荷区增宽。扩散与漂移的关系被破坏，漂移电

9、流占主导地位，能级图如下所示。* 无光照的 PN 结伏安特性曲线：在无光照时，p-n 结的伏安特性为：式中： -暗电流， -反向饱和电流，u -结端偏置电压，e -电子电荷量， -波尔兹曼常数，T -绝对温度。* 光伏效应：在零偏时，若照射光的波长满足：-零偏时p-n结的自建电场强度设：光由p区入射，在p区激发出电子空穴对。因光生空穴对 p 区空穴浓度影响小，光生电子对 p 区电子浓度的影响大，则从 p 区表面向 p 区内自然形成电子扩散趋势。 若 p 区的厚度小于电子的扩散长度，则大部分 光生电子都能扩散进入 p-n 结。一旦电子进入 p-n 结，就立刻被内电场 扫向 n 区。这样，光生电子

10、空穴对就被内电场分离出来， 空穴留在 p 区，电子通过扩散流向 n 区。此时，用 电压表就能量出 p 区正，n 区负的开路电压。光照零偏 p-n 结产生开路电压的效应，称为光 生伏特效应。如果用理想电流表接通p-n结，则有电流通过，称为短路光电流： （p-n结的零偏电阻）如图所示为p-n结的伏安特性曲线与光电二极管的伏安特性曲线。 由曲线可以看出：光照零偏p-n结，产生开路光电压(光电池工作原理)，光照反偏p-n结，有光电流(结型光电探测器工作原理)1.光电转换原理p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。假定：* 光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。* 内电场Ei的作用

11、，电子向n区、空穴向P区漂移运动，* 光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流 ，称为短路光电流 。6.请画出pn结光伏探测器的等效电路 图，并写出光照下pn结的电流方程 ，画出其伏安特性曲线，并说明该 曲线的特点，请说明利用光伏效应 制作的探测器有哪些，分别工作在 伏安特性曲线图中的那个区域？4.5 光伏探测器光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别： 产生光电变换的部位不同光电导探测器是均值型，光照任何部分电导都增大;光伏探测器是结型，只有结区附近光产生光伏效应. 光电导探测器没有极性，工作必须外加偏压;光伏探测器有正负极，不需外电压也进行光电转换. 光电导探测器

12、主要依赖于非平衡载流子的多子产生复合运动，弛豫时间长，响应速度慢，频率响应性能较差。光伏探测器主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应时间特性好。相同点： 都是利用内光电效应。1.光电转换原理p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。假定：* 光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。* 内电场Ei的作用，电子向n区、空穴向P区漂移运动，* 光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流 ，称为短路光电流 。就光电子形成的过程，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况，可以把光电导探测器光电转换关系式进行改写：改写后为：

13、式中： ，是光伏探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。除了Q 项外，光伏和光导的其它物理量都可以用一种形式描述。 一个光生电子-空穴对所贡献的总电荷量 Q 是多少？在耗尽区中 X 处产生的光生电子-空穴对，空穴向左漂移 X 距离到达 p 区，电子向右漂移（L-X）距离 到达 n 区。空穴和电子的漂移时间分别为 tp 和 tn，则空穴和电子电流脉冲的强度分别为和 。则空穴和电所贡献的电荷量为：因此，一个电子一空穴对所贡献的总电荷量为：所以：这个结果表明，光伏探测器的内电流增益 Mn=1，这是和光电导探测器明显不同的地方。2.光伏探测器的工作模式 两种工作模式：当光照射 p-n 结时：* 入射光子

14、能量大于材料禁带宽度；* 在结区产生电子-空穴对；* 非平衡载流子在内建电场的作用下,分别向 n 区和p区运动，产生光生电压，* 只要光照不停止，光生电压将永远存在，其大小与p-n 结的性质及光照度有关。结型光电器件在有光照条件下，可以使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实际证明： 正偏置：单向导电性(普通二级管),无光电效应产生; 零偏置：p-n结无外加电压，产生光伏效应，光伏工作模式； 反偏置：无光照时，电阻很大，电流很小,有光照时，电阻变小，电流变大，流过的光电流随照度变化而变化，与光敏电阻一样，光电导工作模式。但二者的工作机理不同。因此，结型光电器件可选用两种工作模式：零偏置 反偏置

15、 光照下p-n结的电流方程：光照射p-n结时，在p-n结内出现方向相反的电流，分别是： 光激发产生电子-空穴对，在内建电场作用下，形成光生电流 ，大小与光照有关，方向与p-n结反向饱和电流相同； 上述作用的结果，在n区聚集大量的电子而带负电，在 p 区聚大量的空穴而带正电，在p区和n区之间产生了电势，形成光生电动势，这相当于，p-n 结上施加正向偏置电压，从而产生正向电流 ，其方向与 相反。 因此，一个p-n结光伏探测器就等效为一个普通二 级管和一个恒流源（光电流源）的并联，其工作模式则 由外偏压回路决定。光电池符号和等效电路如图所示，式中i 是流过探 测器的总电流。已知：所以： 光伏探测器的伏安特性：上式中的i-u曲线，即光伏探测器的伏安特性曲线。 第一象限正偏电压状态 本来就很大， 光电流不起作用，作为光电探测器，在这一区域没有意义； 第三象限为反偏状态当p=0 时， ，称为暗电流，数值很小；当 p0 时，流过探测器的主要电流是光电流，为 ，这对应于光电导工作模式，称为光电二极管，其外回路特性与光电导探测器相似。 第四象限为零偏