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：① 外光电效应: 光电发射效应② 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： ① 光子能量大小, 直接影响内部电子状态改变的大小；② 光子能量为hυ，光子效应对光波频率表现出选择性；③ 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） ①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。
②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③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④ 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 ① 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，载流子产生漂移运动，载流子的迁移 速率μ定义如下： 式中：V--外加电压；L--半导体的长度；υ--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Δn、Δp, 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 ： 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ΔG，使外回路产生电流增益Δi： 式中V是外电压从上式可见，电流增量Δi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？并推导出其数学表达式②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，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—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，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：① 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.② 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.,③ 光电导探测器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 。