孙云飞光电导探测器.

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1、半导体光电器件,课程简介,教材： 光电子器件 作者： 汪贵华 出版： 国防工业出版社,Mobile：15195699416 Email：,孙云飞,主要参考书：,3,王庆有，光电技术，电子工业出版社，2008 滨川圭弘，光电子学，科学出版社，2002,课程目的：,了解常见的半导体光电器件及半导体光电器件的发展水平，掌握半导体光电器件的工作原理、基本类型、结构及应用，为分析、研究和设计半导体光电器件打下基础,4,5,考试：,平时成绩：（60%）出勤率（25%）+作业（25%） 期中成绩（10%） + 期末成绩：（40%）,考试形式：开卷,成绩构成：,前提是期末成绩必须要及格，如不及格则需补考,课程

2、的主要内容：,第一章 绪论 第二章：光电导探测器 第三章：结型光电探测器 第四章：光电阴极与光电倍增管 第五章：CCD和CMOS成像器件 第六章：热辐射探测器和热释电探测器 第七章：半导体激光器 第八章：太赫兹波探测器,7,第一章 绪论,8,本章主要内容： 1. 什么是半导体光电器件 2. 半导体光电器件的分类 3. 半导体光电器件的应用简介,9,1.1 什么是半导体光电器件,半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来， 使光和电相互转化的新型半导体器件。 利用半导体的光电效应制成的器件。 是一种利用光子与电子的相互作用所具有的特性来 实现某种功能的半导体器件。,10,1.2半导体光电器件的

3、分类,光电器件主要有利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光伏打效应工作的半导体发光器件以及光电池，探测器件和成像器件。,半导体发光器件 利用半导体PN结正向通电时载流子注入符合发光的器件称为半导体发光器件,发光二极管,半导体激光器,11,太阳能电池,12,光电探测器 通过电子过程探测光信号的器件，即将射到它表面上的光信号转换为电信号。,光敏电阻： 制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化银、硫化铅等,光电二三极管： 在反向电压下工作，在光线照射下产生的电子空穴对参与导电，会增大反向饱和电流和电压。,13,成像器件,太赫兹波成像器件,14,1.3 半导体光电器件的应用,15,第二章

4、 光电导探测器,1.1 光电导探测器及光敏电阻的工作原理 1.2 光敏电阻的结构 1.3 光敏电阻的应用 1.4 光敏电阻的特点 1.5 光敏电阻的参数确定 1.5.1 光敏电阻的电流 1.5.2 光电导灵敏度 1.5.3 光电导增益 1.5.4 量子效率 1.5.5 光谱响应率与光谱响应曲线 1.5.6 光电导惰性和响应时间 1.5.7 频率特性 1.5.8 光电特性和值 1.5.9 前历特性 1.5.10伏安特性 1.5.11光谱响应特性,1. 本征半导体,晶体结构,载流子浓度,跟费米能 级的关系,能带图,知识准备,2. N型半导体,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子

5、变为正离子,在本征半导体中掺入五价元素, 形成的半导体。,载流子浓度,跟费米能 级的关系,能带图,3.P 型半导体,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,载流子浓度,跟费米能 级的关系,能带图,在本征半导体中掺入三价元素, 形成的半导体。,19,4. 半导体中欧姆定律的微分形式：,20,5. 迁移率（mobility）,迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中的一个非常重要的基本概念。,电子迁移率,迁移率定义为：,由于载流子有电子和空穴，所以迁移率也分为电子迁移率和空穴迁移率，即：,空穴迁移率,单位： cm2/(

6、Vs),6. 电导率和迁移率的关系,热运动,7. 金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图,金属(导体)： 能带被电子部分占满， 在电场作用下这些电子可以导电。,中文名称：光电导探测器 英文名称：photoconductive detector 定义：一种利用半导体材料（光敏电阻）的光电导效应制成的光探测器。,第二章 光电导探测器,工作原理及结构：（以光敏电阻为例）,光照前,光照后,变化量,提高光电导效应的措施：减小n0和p0即采用禁带宽度大的材料或者在低温下使用。,1.本征型光敏电阻,要发生光电导效应，必须满足：,2.杂质型光敏电阻,工作时温度要低-防止热激发,1.1 光敏电阻的工作原理,1.

7、2 光敏电阻的结构,1.3 光敏电阻的应用举例,光电导效应-,光照引起材料电导变化的现象称为光电导效,存在于大多数半导体和绝缘体中，是光电导器件工作的物理基础。,光敏电阻的特点： 光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度 偏置电压低，工作电流大 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光 光电导增益大，灵敏度高 光敏电阻无极性，使用方便,1.4 光敏电阻的特点,工作电流大；？，可达数毫安。 灵敏度高；？ 光电导增益大；？大于1； 光谱响应范围宽；？根据光电导材料的不同，光谱响应 可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其红光和 红外辐射有较高的响应度。 所测光强范围宽;?，既可测强光也可

8、测弱光。 偏置电压低，无极性之分。?,1.4 光敏电阻的特点,其缺点是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频 率响应很低。,1.5 光敏电阻的参数确定,1.5.1 光敏电阻的电流（photocurrent） （ Id ？ IP ？ I ？）,暗电阻：,光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值,暗电流：,此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流,亮电阻：,光敏电阻在一定光照时的电阻值,亮电流：,此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流,光电导：,光敏电阻由光照产生的电导,光电流：,由光照产生的电流,暗电导：,光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导,亮电导：,光敏电阻在一定光照时的电导

9、值,1.4 光敏电阻的参数确定,1.5.1 光敏电阻的电流 （ Id ？ IP ？ I ？）,1. 无光照时,光敏电阻的阻值很大,电路中电流很小。当光电导体上加上电压,无光照时光电导体具有一定的热激发载流子浓度,其相应的暗电导率为,式中：q为电子或空穴的电荷量；n0和p0分别为电子和空穴的浓度；n和p分别为电子和空穴在外电场E作用下的迁移率，表示为,式中，U是端电压，L是电压方向半导体的长度，vn和vp是载流子漂移的速度。,1.1,2.受光照时,由光照产生的光生载流子迅速增加,它的阻值急剧减少。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动,在电路中形成电流,光生载流子越多电流越大。,如果产生的光生载

10、流子浓度用n和p表示。则光照稳定情况下的电导率为,1.2,1.2 - 1.1 得：,由于在恒定的光照下,光生载流子不断产生,也不断复合。当光照稳定时,光生载流 子的浓度为,分两种情况讨论光电流：,（1）已知入射光的功率 ()； （2） 已知产生的电子空穴对Nout,（1）已知入射光的功率 ()；,由于光照的增加, 电导率增加了,光电流也增加了。,根据欧姆定律的微分形式： ，则在电场强度为E的电场的作用下,短路光电流密度为,1.3,在光照下，电导率的增量为:,其中,g为载流子产生率（单位体积内的产生数）,为载流子寿命。若入射的光功率为()，载流子产生率与光功率的关系为,33,根据根据欧姆定律的微

11、分形式，还可以求出其暗电流,亮电流和光电流：,如果已知在光辐射作用下, 单位时间产生Nout个电子-空穴对,1.4,1.5,由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为,1.6,（2）如果已知产生的电子 空穴对为Nout：,1.6,光敏电阻的光电流 Ip与L的平方成反比。,35,知识回顾,1. 电导率的表达式：,5. 欧姆定律的微分形式：,2. 光电导效应：,3. 提高光电导效应的方法？,4. 发生光电导效应的条件？,6. 亮电流、暗电流、光电流,设：光电阻上的电压为U, 光电导长度为L，横截面积为A,无光照时电流为-,光照产生的电流为-,暗电导,暗电阻,光照时电流为-,亮电导,亮电阻,光电导,三

12、种量之间的关系-,光电导长度对光电流的影响-,因此在设计光敏电阻时为了既减小电极间的距离L,又保证光敏电阻有足够的受光面积,一般采用如图所示的几种电极结构。,暗电导：,亮电导：,光电导：,1.5.2 光电导灵敏度 （photoconduction sensitivity）,暗电流：,亮电流：,光电流：,定义光电导灵敏度为Sg: 单位入射的光功率所产生的光电导,或,提高载流子的寿命可以提高灵敏度,光电导增益：表示长度为L的光电导体两端加上电压后，单位时间内流过外电路的载流子数与内部产生的载流子数比值。,半导体中，电子和空穴寿命相同，都可用平均寿命表示,利用：,称为载流子通过极间距离L所需的有效度

13、越时间,1.5.3光电导增益 （ photoconductivity ）,提高增益的措施： 增加载流子的寿命,及,入射一个光子所产生的电子或电子空穴对的数目,1.5.4 量子效率（ quantum efficiency ）,锗的禁带宽度为0.66ev; 硅的禁带宽度为1.12ev,1.5.5 光谱响应率与光谱响应曲线,光谱响应率：在某一特定波长下，输出光电流（或电压）与入射辐射能量之比。,光谱响应率为：,可以看出,增大增益系数可得到很高的光谱响应率。提高光敏电阻的光谱响应率可以：,减小电极间距,延长载流子寿命,较长波长，吸收系数小，量子效率低 波长减小，吸收系数增大，几乎全被吸收，电光导达到峰

14、值。 波长继续减小，吸收系数继续增加，复合增加，寿命减低，量子效率下降。,长波限：峰值一半处所对应的波长。,1.5.5 光谱响应曲线,1.5.6 光电导惰性和响应时间,对于非定态情况，例如当光照开始及撤去的瞬间有,1. 弱光情况: n n0，pp0:,将是时间的函数，必须解方程才能 求得。,由于对不同的光照水平和不同的光电导类型，方程的形式不,同，故分不同情况进行处理。,载流子的浓度满足：,a. 光照开始时，t=0, n=0 ：,b. 当 ，n=n0,c. 光撤除光照后时，g=0, 根据初始条件t=0时，n= n 0,上升时间=下降时间=载流子寿命,上升时间=下降时间=载流子寿命,光生载流子浓

15、度上升到稳态值的63%所 需的时间称为光敏电阻的上升时间。,光照停止后,定义光生载流子下降到稳定值的37%时所需的时间为下降时间。上升时间和下降时间相等，都等于载流子寿命,t=。,为驰豫时间，表征了光电导的特性，越长，驰豫时间越大，这种现 象就是光电导的惰性。,1.5.6 光电导惰性和响应时间,小结：载流子的寿命增加，可以提高灵敏度和增益，但是会增加光 电导的惰性，因此必须折中考虑。,2. 强光情况: n n0，pp0:,载流子的浓度满足：,式中，r为电子和空穴的复合率,a. 光照开始时，t=0, n=0 ：,b. 撤除光照时，t=0, n=n0 ：,其中： tanh x=sinh x / c

16、osh x sinh x=(e(x)-e(-x)/2 ， cosh x=(ex+e(-x)/2 所以tanhx = (e(x)-e(-x) /(ex+e(-x),强光下，光电导同时受到产生率和复合率的影响。,1.5.7 频率特性,输入光正弦规律变化,具有低通特性。,截止频率:输出相对幅值下降至0.707倍，入射光的频率。,1.5.8 光电特性和值,弱光照射时：,强光照射时：,直线性光电导,光电流与照度关系曲线：,一般情况下,光敏电阻的特性可以表示为：,Ip光电流； Sg光电导灵敏度; E光照度； 光照指数，它与材料和入射光强弱有关，对于 CdS、PbS等，在弱光照射下 =1，在强光照射下=1/2，一般=0.51； U 光敏电阻两端