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1、第第2章章 光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性v光的基本性质（复习）光的基本性质（复习）v光度学与辐射度学（补充）光度学与辐射度学（补充）v半导体基础知识（补充）半导体基础知识（补充）v2.1光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础光电效应光电效应v2.2光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数第第 2章章 光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性光的基本性质（复习）光的基本性质（复习）n n波动理论波动理论波动理论波动理论：光在传播光在传播光在传播光在传播时所表现出波动性，如时所表现出波动性，如时所表现出波动性，如时所表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振
2、、光的干涉、衍射、偏振、光的干涉、衍射、偏振、光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。反射、折射。反射、折射。反射、折射。n n惠更斯、杨氏和费涅惠更斯、杨氏和费涅惠更斯、杨氏和费涅惠更斯、杨氏和费涅耳等，特别是麦克斯耳等，特别是麦克斯耳等，特别是麦克斯耳等，特别是麦克斯韦（韦（韦（韦（C.Maxwell)C.Maxwell)于于于于18601860年将光统一为电年将光统一为电年将光统一为电年将光统一为电磁波的理论。磁波的理论。磁波的理论。磁波的理论。v光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。麦克斯韦（1831-1879）光量子说光量子说：光与物质作用时表
3、现出粒子性，如光的发射、吸收、光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。色散、散射。 1900年普朗克（年普朗克（Max.Planck)在研究黑体辐射时，提出辐射在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论；的量子论；1905年，爱因斯坦（年，爱因斯坦（Albert.Einstein)在解释光电效应时，在解释光电效应时，提出光量子的概念；提出光量子的概念；普朗克（1858-1947）爱因斯坦（1879-1955）v光子能量公式：光子能量公式：=hv光子动量公式：光子动量公式：p=h/c=h/式中，式中，h为普郎克常数（为普郎克常数（6.62610-34Js）；）；v为光的振动频率为光的振
4、动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（为光在真空中的传播速度（3108ms-1）。）。上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。率和波长）。光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从从固体能级来说，具有从0.1ev到几个到几个ev能量的转换比能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。的
5、紫外范围内进行高效率的能量转换。电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁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，涵盖了由宇宙射线到波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（无线电波（1021025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即即10-910-3m的范围。在这个范围内，只有的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。的光才能引起人眼的视觉感，故称这部
6、分光为可见光。红外红外紫外紫外可见光可见光10156182191210101010101010324f/Hz电磁辐射光谱的分布电磁辐射光谱的分布X射线射线射线射线近红外近红外远红外远红外电磁波电磁波101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光电磁辐射波谱电磁辐射波谱光度学光度学(Photometry)与辐射度学与辐射度学(Radiometry)补充补充1
7、n n光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标从目标( (辐射源辐射源) )发出后经过中间介质、光学系统，最发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。这是光电系统一个很重要的指标。n n光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。n n辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于辐射度学适用于整个电磁波
8、谱的能量计算。主要用于X X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。n n光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，规定用下标不同。为了区别这两种量，规定用下标e e和和v v表示。表示。 常用常用辐射量和光度量一射量和光度量一览表表名称符号定义单位辐射能光量QeQv以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。焦耳(J)流明秒(lms)辐射能通量光通量ev以辐射形式发射、传
9、播或接收的功率。发光强度为v的光源，在立体角元d内的辐通量，dv=vd。瓦特(W)流明(lm)辐射出射度光出射度ev离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。瓦每平方米(Wm-2)流明每平方米(lmm-2)辐射照度光照度ev照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。瓦每平方米(Wm-2)勒克斯(lx)辐射强度发光强度ev在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为5401012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度
10、e=1/683Wsr-1时，规定为1cd。瓦每球面度(Wsr-1)坎德拉(cd)辐射亮度光亮度LeLv表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。瓦每球面度平方米(Wsr-1m-2)坎德拉每平方米(cdm-2)曝光量H光照度对时间的积分。勒克斯秒(lxs)基本辐射度量的名称、符号和定义方程基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射通量，辐射功率辐射功率瓦特瓦特W辐射强度辐射强度瓦特球面度瓦特球面度W
11、sr-1辐射亮度辐射亮度瓦特球面度瓦特球面度平方米平方米Wm-2sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度辐射照度瓦特平方米瓦特平方米Wm-2 常用辐度量和光度量之间的对应关系常用辐度量和光度量之间的对应关系 辐通量的光谱分布与接收器的光谱响应辐通量的光谱分布与接收器的光谱响应 v辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。量的连续分布曲线。 e e（ ） 以光谱辐通量以光谱辐通量 ee表示表示辐射通量按波长分布的特
12、辐射通量按波长分布的特性；给定波长性；给定波长0 0处极小波处极小波长间隔长间隔dd内的辐通量内的辐通量dde e称为单色辐通量。称为单色辐通量。辐射体总辐射通量辐射体总辐射通量ee，即辐射体的总辐射即辐射体的总辐射功率，又称为全色辐功率，又称为全色辐通量为：通量为：v许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即v K()=v/ev 由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm，该波长称为峰值波长
13、)的辐射下，K()最大，记以Km，Km = 683 lmW-1。对于某给定波长下的Km，定义光谱光视效率V()为v V()=K()/Kmv V()又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列于下表： 光视效率光视效率V（）是用来表示人眼对各种波）是用来表示人眼对各种波长光长光的相对灵敏度的物理量。的相对灵敏度的物理量。白天：白天：555nm夜晚：夜晚：507nmV（）=1光谱光视效率光谱光视效率由此，定义光的基本量光通量光通量光通量是光源在单位时间内发出的光量，光通量符号为，单位为流明（lm）。根据光辐射通量()，由下式可确定光通量：式中V()为光谱光视光效函
14、数，Km为辐射的光谱光视效能的最大值，其值为683lm/W(m=555nm)。1 W = 683 V（ ）lm 光通量的光通量的SI单位为流明（单位为流明（lumen，记做，记做lm）。）。而辐射通量的单位则为而辐射通量的单位则为W（瓦），二者的关系（瓦），二者的关系为：为：对于对于555nm的单色光，则有的单色光，则有1 W=683 lm即是说，其辐射通量为即是说，其辐射通量为1W时，其光通量时，其光通量为为683 lm。光度量的最基本单位光度量的最基本单位1979年10月第16届国际计量大会定义：一个光源发出频率为540X1012Hz的单色光（相当一波长为555nm的人眼视觉灵敏的黄绿光）
15、，在一定方向的辐射强度为在一定方向的辐射强度为1/683W/sr，则此光源在该方向上的发光强度为，则此光源在该方向上的发光强度为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。1坎德拉的点状光源所发出的总光通量为4流明。一支普通蜡烛的发光强度约为1cd。中国大陆的早些时候，把每1瓦的白炽灯白炽灯的发光强度称之为一支烛光烛光，如25瓦的就称之为25支烛光。其原因是一只220V/100W的白炽灯发出的光通量约等于400流明。换算下来每1W的发光强度差不多就是1cd。部分典型环境中国家标准照度值部分典型环境中国家标准照度值典型环境典型环境照度标准值照度标准值/lx典型环
16、境典型环境照度标准值照度标准值/lx低低中中高高低低中中高高普通（课桌面）普通（课桌面）150微机室（工作微机室（工作台面）台面）200图书馆、阅览图书馆、阅览室室150200300起居室（书写起居室（书写、阅读）、阅读）100150200理化实验室理化实验室100150200一般精细工作一般精细工作台面台面300500750部分常见物体的亮度部分常见物体的亮度光源名称光源名称亮度亮度/（cd/m2）光源名称光源名称亮度亮度/（cd/m2）地球上看到的地球上看到的太阳太阳钨丝白炽灯钨丝白炽灯太阳照射下的太阳照射下的洁净雪面洁净雪面人工照明时人工照明时书写、阅读书写、阅读的纸面的纸面10距太阳距
17、太阳70角的角的晴朗天空晴朗天空满月的表面满月的表面 0.25 光度学中的基本原理光度学中的基本原理光度学中的基本原理光度学中的基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。辐射的传播服从几何光学定律。1 1、距离平方反比法则和照度的余弦法则：、距离平方反比法则和照度的余弦法则：、距离平方反比法则和照度的余弦法则：、距离平方反比法则和照度的余弦法则：点点辐辐射射(光光)源源在在处处于于某某方方向向的的面面元元上上建建立立的的照照度度与与点点源源朝朝该该方方向向的的辐辐射射（发发光光）强强度度
18、I成成正正比比，与与点点源源和和面面元元之之间间距距离离d的的平平方方成成反反比比，与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见下图）。与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见下图）。E=I*cos/d2图图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则距离平方反比法则和照度的余弦法则2 2 2 2、叠加原理：、叠加原理：、叠加原理：、叠加原理： 若若干干辐辐射射（光光）源源在在一一面面元元上上建建立立的的照照度度等等于于各各辐辐射射（光光）源单独建立的照度之和。源单独建立的照度之和。3 3 3 3、均匀漫射面及其特性（朗伯定律）：、均匀漫射面及其特性（朗伯定律）：、均匀漫射面及其特性（朗伯定律
19、）：、均匀漫射面及其特性（朗伯定律）： 均均匀匀漫漫射射面面（包包括括漫漫反反射射、漫漫透透射射及及自自身身发发光光的的漫漫射射面面）在在任任何何方方向向都都具具有有相相等等的的亮亮度度，因因而而在在与与面面的的法法线线成成角角的的方方向向上上的的辐辐射射强强度度或或发发光光强强度度I I = = I I0 0 coscos，I I0 0为为漫漫射射面面在在法法线方向的辐射强度或发光强度。线方向的辐射强度或发光强度。4 4 4 4、阿贝定律（亮度不变性原理）：、阿贝定律（亮度不变性原理）：、阿贝定律（亮度不变性原理）：、阿贝定律（亮度不变性原理）： 若若忽忽略略光光束束在在传传输输过过程程中中
20、的的反反射射和和吸吸收收损损失失，光光源源的的亮亮度度正正比比于于测测量量点点所所处处介介质质折折射射率率的的平平方方，即即L=K*nL=K*n2 2。若若测测量量点点与与光源处于相同的介质中，则光束的亮度不变。光源处于相同的介质中，则光束的亮度不变。半导体物理基础半导体物理基础 补充补充2 2物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。1914年，夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在。补充补充2.1、能带理论、能带理论能级（EnegyLevel）：在孤立原
21、子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。v 原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带电子共有化，能级扩展为能带示意图电子共有化，能级扩展为能带示意图a) 单个原子单个原子 b) N个原子个原子v能带（能带（EnegyBand）：）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有51022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个
22、原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。能带能带(energyband) 量子力学计算表明，晶体中若有量子力学计算表明，晶体中若有N N 个原个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级原子的每一个能级, ,在晶体中变成了在晶体中变成了N N 条靠得很条靠得很近的能级近的能级, ,称为称为能带能带。一般规律：一般规律：1.越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽， E越大。越大。
23、2.点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E越大。越大。3.两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。v禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。v价带（ValenceBand）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。v导带（ConductionBand）：价带以上能量最低的允许带称为导带。v导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，
24、Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图a) 绝缘体绝缘体 b) 半导体半导体 c) 金属原子金属原子（1 1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3 3）金属）金属导体没
25、有禁带，可显示很强的导电性。导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。导电性很差。外外场场满带满带导带导带满带满带导带导带满带满带导带导带（1 1）半导体）半导体禁带禁带禁带禁带外外场场（2 2） 绝缘体绝缘体（3 3）金属）金属导体导体:通常指电阻率为10-610-3cm的物质。金属和合金一般都是导体，如铝、金、钨、铜、镍铬等。导带与价带有一定程度的重合（Eg=0），金属的价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好。绝缘体绝缘体:通常电阻率109cm。如SiO2、SiON、Si3N4等。SiO2
26、的Eg约为5.2eV。它们能带能隙很大，可达到9eV，电子很难跳跃至导带，所以无法导电。半导体半导体:导电特性处于导体和绝缘体之间，能隙一般约为13eV，只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距就能导电。导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，如硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV，电阻率为10-3109cm。所以它们都是半导体。补充补充2.2 2.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体v 现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。）晶体分为单晶与多晶：v 单晶在一块材料中，原子全部作
27、有规则的周期排列。v 多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。v本征半导体：就是没有杂质和缺陷的半导体。结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小，室温下硅的ni约为1010/cm3。v杂质半导体：半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层
28、电子数都是四个。把硅或锗材料拉制成单晶体时,原子组成金刚石晶体结构，每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角:10928，它有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。2.2.1本征半导体本征半导体半导体在热激发下产生自由电子和空穴对称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，这种现象称为复合。本征半导体中自由电子与空穴的浓度相等。对于硅材料,在300K下，空穴的浓度为
29、1.41010CM-3。大约温度每升高,本征载流子浓度ni增加1倍。另外半导体载流子浓度还与光照等有关。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。2.2.2杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。的各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是在导电性能改变的原因是在半导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能半导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能量大幅降低，载流子浓
30、度大大增加。量大幅降低，载流子浓度大大增加。T=300K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n =p =1.41010/cm3本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3依据杂质不同可分为依据杂质不同可分为N 型半导体型半导体和和P 型半导体型半导体两种。两种。本征半导体硅中掺入少量的5价元素磷、砷、锑等。原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，而磷原子就成了不能移动带正电的离子。在N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。1) N 型半导体型半导
31、体N型半导体型半导体（N Type semiconductor） 室温T=300k+5vN型半导体： 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。在本征半导体硅中掺入少量的3价元素硼。原来
32、晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引邻近的束缚电子来填补，相当于空穴电流向另一方向移动。硼原子为不能移动的带负电的离子。2)P 型半导体型半导体P型半导体型半导体（P type semiconductor）-vP型半导体：在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅
33、晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。*杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 本征半导体中载流子由本征激发产生：本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（掺杂半导体中（N or P）掺杂越多掺杂越多多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度杂质半导体载流子由两个过程产生杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离杂质电离多子多子本征激发本征激发少子少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：由半导体理论可以证明，两种载流子的
34、浓度满足以下关系：1 热平衡条件：热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。N型半导体：若以型半导体：若以nn表示电子（多子），表示电子（多子），pn表示空穴（少子）表示空穴（少子） 则有则有 nn.pn=ni2P型半导体：型半导体：pp表示空穴（多子）表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）表示电子浓度（少子） Pp.np=ni22电中性条件：电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型：型： No表示施主杂质浓度表示施主杂质浓度，则：则：nn=No+pn P型：型： N
35、A表示受主杂质浓度表示受主杂质浓度， Pp=NA+np由于一般总有由于一般总有Nopn NAnp 所以有所以有 N型：型：nnNo 且：且： pn ni2/ND P型：型：ppNA npni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度ni2有关，有关， 与温度无关与温度无关随温度升高而增加，是半导体随温度升高而增加，是半导体 元件温度漂移的主要原因元件温度漂移的主要原因多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度v掺杂对半导体导电性能的影响：v 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接
36、从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。3)3)杂质半导体特性杂质半导体特性无论是N型或P型半导体，从总体上仍然保持着电中性。1）掺杂特性：掺杂可明显改变半导体的电导率，对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺杂，可以形成各类晶体管，制造出各种不同的半导体器件。2）热敏特性：半导体受热时，其导电能力发生显著变化。利用它可制成热敏器件。3）光敏特性：光照可改变半导体的电导率。利用它可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器等。4）金属与掺杂半导体材料接触，形成肖特基二极管、金属-半导体场效应管、高电子迁移率晶体管
37、等器件。2.3 2.3 费米能级与热平衡态下的载流子费米能级与热平衡态下的载流子v 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。v 热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。v 根据量子理论和泡利不相
38、容原理，能态分布服从费米统计分布规律。在某温度下热平衡态，能量为在某温度下热平衡态，能量为E E的能态被电子占的能态被电子占据的概率由费米据的概率由费米- -狄拉克函数给出，即狄拉克函数给出，即v费米费米- -狄拉克函数曲线狄拉克函数曲线f(E)：费米分布函数，：费米分布函数，能量能量E的概率函数的概率函数;k：波耳兹曼常数，：波耳兹曼常数，1.3810-23J/K;T：绝对温度：绝对温度;EF：费米能级。：费米能级。以以EF来定性表示两能带中载流子的浓度来定性表示两能带中载流子的浓度a)重掺杂重掺杂P型型b)轻掺杂轻掺杂P型型c)本征型本征型d)轻掺杂轻掺杂N型型e)重掺杂重掺杂N型型vEF
39、为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。当E=EF时，f(E)=1/2，它并不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。在量子统计中EF应视为固体中电子的化学势。常温下EF随材料掺杂程度而变化。半导体导电特性半导体导电特性掺入杂质则导电率增加几百万倍掺入杂质则导电率增加几百万倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件物理性质：原子序数:14，相对原子量
40、:28.09，有无定形和晶体两种同素异形体。晶体硅钢灰色，无定形硅黑色，密度密度2.33g/cm3，熔点1420，沸点2355，莫氏硬度为7。晶格常数0.543089nm，原子密度5.001022，共价半径：0.117nm。化学性质：硅在常温下不活泼。但可与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6。在高温下能与氧气等多种元素化合。硅的性质硅的性质硅的制备硅的制备工业上，硅通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。化学反应方程式：SiO2+2CSi+2CO。这样制得的硅纯度为9798%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为99.799.8%的金属硅。要将它制成半导体用硅，
41、还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，如四氯化硅，再经蒸馏分解过程得到多晶硅。区熔提纯等处理方法可得到高纯度的硅。补充补充2.4 PN 2.4 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P型半导体型半导体区和N型半导体型半导体区，在这两个区的交界面处就形成了的PN结。结。浓度差浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩内电场阻止多子扩散散最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平
42、衡。一、平衡状态的PN结扩散运动：P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。形成耗尽层和PN结。漂移运动：在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。内电场越强，漂移运动也越强，漂移运动将使空间电荷区变薄。PN结的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩
43、散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。空间电荷区的宽度约为零点几微米几十微米；硅内电场，约为(0.60.8)V,锗内电场，约为(0.20.3)V。下图是PN结形成接触电位差后，处于平衡状态时的能带图。左边是N区，右边是P区，中间是空间电荷区；右边的前头表示P区能带比N区高qUD，它是由接触电位差所引起的。 图中能带虽是弯曲的，而费米能级则贯穿PN结，保持为一条水平横线。这是平衡PN结的特征，它表示各处费米能级相等，电子处于相对平衡，没有电流流动。热平衡下热平衡下P-NP-N结模型及能带图结模型及能带图热平衡态下的热平衡态下的P-N结结vP-N结能带与接触电势差
44、：v在热平衡条件下，结区有统一的EF。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：vqUD=EFN-EFP，得：UD=(EFN-EFP)/q；其中，q为电子电量；vUD：接触电势差或内建电势，
45、对于在耗尽区以外的状态：vUD=(KT/q)ln(NAND/ni2)；其中，NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。v可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。v空间电荷区空间电荷区 在在PN结的交界面附近，由于扩结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在在P 区和区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。耗尽层，垫垒区。v
46、内部电场内部电场由空间电荷区（即由空间电荷区（即PN结的交界面两结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指区指向向P区的电场区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。的扩散，加速少子的漂移。v耗尽层耗尽层在无外电场或外激发因素时，在无外电场或外激发因素时，PN结处结处于动态平衡没有电流，内部电场于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。v PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与不对称结：v 对称结对称结 两个
47、区（P区和N区）内耗尽层相等。（杂质浓度相等）。v 不对称结不对称结 杂质浓度高的侧耗尽层宽度小于杂质浓度低的一侧，这样的PN结为不对称结。 电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流二、二、 PN PN 结结的正偏的正偏电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流三、三、PN结的反偏结的反偏由此可以得出由此可以
48、得出由此可以得出由此可以得出结论：结论：结论：结论：PNPNPNPN结具结具结具结具有单向导电性有单向导电性有单向导电性有单向导电性伏安特性伏安特性UI死区电压死区电压硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR综上所述：综上所述：当当 PN PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流， PN PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小，几乎等于零，小，几乎等于零， PN P
49、N 结处于截止状态。结处于截止状态。可见，可见， PN PN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。半导体对光的吸收半导体对光的吸收v 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：vIx=I0(1-r)e-xvIx：距离表面x远处的光强vI0：入射光强vr：材料表面的反射率v：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收本征吸收与非本征吸收本征吸收与非本征吸收 v本征吸收本征吸收:半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的
50、电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。产生本征吸收的条件：产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即vhEg从而有:v0Eg/hv0h/Eg=1.24meV/Eg其中，h：普朗克常数；c：光速；0：材料的频率阈值；0：材料的波长阈值v非本征吸收：非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。v杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。v自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自
51、由载流子吸收，表现为红外吸收。v激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。v晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。半导体对光的吸收主要是本征吸收。半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征吸收的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十
52、倍到几万倍，一般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长小于1.15m的可见光透明。非平衡态下的载流子非平衡态下的载流子v 半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。v电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。v光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。1产生与复合产生与复合v 使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。v 使非平衡载流子
53、浓度减少的运动称为复合，单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。v 以N型半导体为例，在非平衡状态下载流子浓度为：vnnnn0+nnvpnpn0+pnvnnpnvnn：N型半导体中多数载流子电子的浓度vpn：N型半导体中少数载流子空穴的浓度vnn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度vpn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度vnn：非平衡载流子电子的浓度vpn：非平衡载流子空穴的浓度在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合率也随非平衡载流子的增加而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。当光照停止，光致产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大
54、于产生率，使非平衡载流子浓度逐渐减少，复合率随之下降，直至复合率等于热致的产生率时，非平衡载流子浓度将为零，系统恢复热平衡状态。2复合与非平衡载流子寿命复合与非平衡载流子寿命复合是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。v非平衡载流子寿命：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。v三种复合机制：v直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。v通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺
55、陷。通过复合中心间接复合包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。v表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。通过复合中心进行的复合通过复合中心进行的复合-产生过程产生过程1电子俘获电子俘获 2空穴俘获空穴俘获 3电子发射电子发射 4空穴发射空穴发射载流子的输运载流子的输运扩散与漂移扩散与漂移v漂移：漂移： 载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。 在强电场作用下，由于饱
56、和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律偏离欧姆定律。在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律运动服从欧姆定律。v讨论漂移运动的重要参量：讨论漂移运动的重要参量： 迁移率（电子迁移率n，空穴迁移率p），的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。v 从欧姆定律的微分形式：vj=Evj：电流密度v：材料导电率vE：电场强度v 从电流密度的定义：vj=nqvn：电子浓度vq：电子电量v：电子漂移平均速度v故nq=E（上面两式恒等）v=(/nq)E=nEv表明电子漂移的平均速度与场强成正比。v扩散：扩散：v 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。v 下图为光注入，非平衡载流
57、子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。v 扩散流面密度j与浓度梯度dN(x)/dx成正比：vj=-DdN(x)/dxvD为扩散系数，表征非平衡载流子扩散能力。式中负号表示扩散流方向与浓度梯度方向相反。v 下列关系式成立：v(-DdN(x)/dx)x - (-DdN(x)/dx)x+x=N(x)x/v：非平衡载流子平均寿命v非平衡载流子沿x轴分布是在边扩散边复合中形成的，定态下，N(x)分布稳定，单位时间内复合的非平衡载流子数必然要靠净扩散流补偿
58、。v 上式两边同除以x，并对等号左边取x0极限得扩散方程：vd2N(x)/dx2=N(x)/(D)v利用边界条件x=0,N(x)=N0；x=,N(x)=0，得vN(x)=N0e-x/LvL=(D)1/2称为扩散长度，表示N(x)减小到的N0的1/e时所对应的距离x。光生的非平衡载流子复合有光后，在复合前扩散的距离有远近之分，从而形成N(x)分布曲线。L表示非平衡载流子复合前在半导体中扩散的平均深度。v 在扩散与漂移同时存在（半导体既受光照，又外加电场时）的情况下，扩散系数D（D表示扩散的难易）与迁移率（表示迁移的快慢）之间有爱因斯坦关系式：爱因斯坦关系式：vD=(kT/q)vkT/q为比例系数
59、，室温下为0.026V。vD与成正比。v 电子与空穴沿x轴扩散，但DnDp，故它们引起的扩散流不能抵消。在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献；在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。本征情况可作为参考标准，用以说明器件的温度限制说明器件的温度限制。因为PN结是依靠N型和P型材料中多子和少子的浓度差来工作的，所以，一旦温度高到ni可以和掺杂浓度相比时，器件就不再能正常工作了。下表列出了几种不同掺杂浓度的硅和锗，ni达到杂质浓度时的温度。从表中可以看到，硅器件可以比锗器件使用于更高的温度。其原因是
60、硅有更大的禁带宽度，其本征载流子浓度比锗低得多。*请关注的两个特点：（1）本征载流子浓度）本征载流子浓度ni随随温度的上升而迅速增加温度的上升而迅速增加:掺杂浓度掺杂浓度 硅硅 锗锗1014 450K(1800C) 370K(1000C)1015 530K(2600C) 430K(1600C)1016 600K(3300C) 510K(2400C)（2）不同掺杂浓度和温度下，）不同掺杂浓度和温度下，N型和型和P型硅中费米能级的位置型硅中费米能级的位置v每条曲线代表一个确定的掺杂浓度，横座标是温度，纵座标给出费米能级在禁带中的位置(以中间为0线)。0线以上的曲线代表N型，曲线从左到右向下倾斜，它
61、表示随着温度的升高，费米能级逐渐趋近于禁带的中间。0线以下的曲线代表P型，费米能级也随温度趋向禁带中间。2.1光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础光电效应光电效应一、光电效应一、光电效应物物物物质质在在在在光光光光的的的的作作作作用用用用下下下下，不不不不经经升升升升温温温温而而而而直直直直接接接接引引引引起起起起物物物物质质中中中中电电子子子子运运运运动动状状状状态态发发生生生生变变化化化化，因因因因而而而而产产生生生生物物物物质质的的的的光光光光电电导导效效效效应应、光生伏特效、光生伏特效、光生伏特效、光生伏特效应应和光和光和光和光电电子子子子发发射等射等射等射等现现象。象。象。象
62、。在理解上述定在理解上述定在理解上述定在理解上述定义时义时，必，必，必，必须须掌握以下三个要点掌握以下三个要点掌握以下三个要点掌握以下三个要点： 原因：是原因：是原因：是原因：是辐辐射，而不是升温；射，而不是升温；射，而不是升温；射，而不是升温； 现现象：象：象：象：电电子运子运子运子运动动状状状状态发态发生生生生变变化；化；化；化； 结结果：果：果：果：电导电导率变化率变化率变化率变化、光生伏特、光、光生伏特、光、光生伏特、光、光生伏特、光电电子子子子发发射。射。射。射。 简简单单记记为为：辐辐射射射射电电子子子子运运运运动动状状状状态态发发生生生生变变化化化化光光光光电导电导效效效效应应、
63、光生伏特效、光生伏特效、光生伏特效、光生伏特效应应、光、光、光、光电电子子子子发发射。射。射。射。 光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因光光光光电电电电效效效效应应应应的的的的起起起起因因因因： 在在在在光光光光的的的的作作作作用用用用下下下下，当当当当光光光光敏敏敏敏物物物物质质质质中中中中的的的的电电电电子子子子直直直直接接接接吸吸吸吸收收收收光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量足足足足以以以以克克克克服服服服原原原原子子子子核核核核的的的的束束束束缚缚缚缚时时时时，电电电电子子子子就就就就会会会会从从从从基基基基态态态态被被被被激激激激
64、发发发发到到到到高高高高能能能能态态态态，脱脱脱脱离离离离原原原原子子子子核核核核的的的的束束束束缚缚缚缚，在在在在外外外外电电电电场场场场作作作作用用用用下下下下参参参参与与与与导导导导电电电电，因因因因而而而而产产产产生了光电效应。生了光电效应。生了光电效应。生了光电效应。 这这这这里里里里需需需需要要要要说说说说明明明明的的的的是是是是，如如如如果果果果光光光光子子子子不不不不是是是是直直直直接接接接与与与与电电电电子子子子起起起起作作作作用用用用，而而而而是是是是能能能能量量量量被被被被固固固固体体体体晶晶晶晶格格格格振振振振动动动动吸吸吸吸收收收收，引引引引起起起起固固固固体体体体的
65、的的的温温温温度度度度升升升升高高高高，导导导导致致致致固固固固体体体体电电电电学学学学性性性性质质质质的的的的改改改改变变变变，这这这这种种种种情情情情况就不是光电效应，而是热电效应。况就不是光电效应，而是热电效应。况就不是光电效应，而是热电效应。况就不是光电效应，而是热电效应。 光与物质的作用实质是光子与电子的作用，光与物质的作用实质是光子与电子的作用，光与物质的作用实质是光子与电子的作用，光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。电子吸收光子的能量后，改变了电子
66、的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。 外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应 光电子发射光电子发射光电子发射光电子发射光电效应
67、光电导效应光电效应光电导效应光电效应光电导效应光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应内光电效应光生伏特效应内光电效应光生伏特效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应丹倍效应丹倍效应丹倍效应光磁效应光磁效应光磁效应光磁效应二、二、二、二、光电效应光电效应分类分类分类分类 外外外外光光光光电电电电效效效效应应应应，是是是是指指指指物物物物质质质质受受受受光光光光照照照照后后后后而而而而激激激激发发发发的的的的电电电电子子子子逸逸逸逸出出出出物物物物质质质质的的的的表表表表面面面面，在在在在外外外外电电电电场场场场作作作作用用用用下下下下形形形形成成成成真真真真空空空空中中中中的的的的光光光光电电电电子
68、子子子流流流流。这这这这种种种种效效效效应应应应多多多多发发发发生生生生于于于于金金金金属属属属和和和和金金金金属氧化物。属氧化物。属氧化物。属氧化物。 内内内内光光光光电电电电效效效效应应应应, ,是是是是指指指指受受受受光光光光照照照照而而而而激激激激发发发发的的的的电电电电子子子子在在在在物物物物质质质质内内内内部部部部参参参参与与与与导导导导电电电电，电电电电子子子子并并并并不不不不逸逸逸逸出出出出光光光光敏敏敏敏物物物物质质质质表表表表面面面面。这这这这种种种种效效效效应应应应多多多多发发发发生生生生于于于于半半半半导导导导体体体体内内内内。内内内内光光光光电电电电效效效效应应应应又
69、又又又可可可可分分分分为为为为光光光光电电电电导导导导效效效效应应应应、光光光光生生生生伏伏伏伏特特特特效效效效应应应应、丹丹丹丹倍倍倍倍效效效效应和光磁电效应等。应和光磁电效应等。应和光磁电效应等。应和光磁电效应等。 外外外外光光光光电电电电效效效效应应应应和和和和内内内内光光光光电电电电效效效效应应应应的的的的主主主主要要要要区区区区别别别别在在在在于于于于：受受受受光光光光照照照照而而而而激激激激发发发发的的的的电电电电子子子子，前前前前者者者者逸逸逸逸出出出出物物物物质质质质表表表表面面面面形形形形成成成成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。光电子流，而后者则在物质内部参与导电。光电
70、子流，而后者则在物质内部参与导电。光电子流，而后者则在物质内部参与导电。三、光电效应的物理现象三、光电效应的物理现象（一）光电导效应（一）光电导效应（一）光电导效应（一）光电导效应（18731873年）年）年）年） 半导体材料受光照时，由于对光子的吸半导体材料受光照时，由于对光子的吸半导体材料受光照时，由于对光子的吸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，因而导致材料电收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）导率增大（电阻减小）导率增大（电阻减小）导率增大（电阻减小）, , , ,这
71、种现象称为光电导这种现象称为光电导这种现象称为光电导这种现象称为光电导效应。效应。效应。效应。（1 1 1 1）光电导率：）光电导率：）光电导率：）光电导率：假设在辐射作用下，由于吸假设在辐射作用下，由于吸假设在辐射作用下，由于吸假设在辐射作用下，由于吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为增量分别为增量分别为增量分别为nn及及及及pp，则在光照稳定情况下光，则在光照稳定情况下光，则在光照稳定情况下光，则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为电导体的电导率变为电导体的电导率
72、变为电导体的电导率变为（2 2） 本征半导体的本征半导体的本征半导体的本征半导体的光光光光电导电导效效效效应应 光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作为自由电
73、子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增加导率增加导率增加导率增加。光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是 （）（）（）（） 能够激发电子的光辐射长波限为能够激发电子的光辐射长波限为能够激发电子的光辐射长波限为能够激发电子的
74、光辐射长波限为 （2 2）其中，的单位为电子伏特其中，的单位为电子伏特其中，的单位为电子伏特其中，的单位为电子伏特（1eV=1.602E-19J,e=1.602E-1eV=1.602E-19J,e=1.602E-19C19C）; ; 为普朗克常数，其值为为普朗克常数，其值为为普朗克常数，其值为为普朗克常数，其值为 ；（3 3）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体的的的的光光光光电导电导效效效效应应N N N N型型型型光光光光电电电电导导导导体体体体，主主主主要要要要是是是是光光光光子子子子激激激激发发发发施施施施主主主主能能能能级级级级中中中中的的的的电电电电子子子子跃跃跃跃迁迁迁
75、迁到到到到导导导导带带带带中中中中去去去去，电电电电子子子子为为为为主主主主要要要要载载载载流流流流子子子子，增增增增加了自由电子的浓度。加了自由电子的浓度。加了自由电子的浓度。加了自由电子的浓度。P P P P型型型型光光光光电电电电导导导导体体体体，主主主主要要要要是是是是光光光光子子子子激激激激发发发发价价价价带带带带中中中中的的的的电电电电子子子子跃跃跃跃迁迁迁迁到到到到受受受受主主主主能能能能级级级级，与与与与受受受受主主主主能能能能级级级级中中中中的的的的空空空空穴穴穴穴复复复复合合合合，而而而而在在在在价价价价带带带带中中中中留留留留有有有有空空空空穴穴穴穴，作作作作为为为为主主
76、主主要要要要载载载载流流流流子子子子参参参参加加加加导导导导电。增加了空穴的浓度。电。增加了空穴的浓度。电。增加了空穴的浓度。电。增加了空穴的浓度。 只只只只要要要要光光光光子子子子能能能能量量量量满满满满足足足足 就就就就能能能能激激激激发发发发出出出出光生载流子。光生载流子。光生载流子。光生载流子。 相应的相应的相应的相应的杂质光电导体的长波限为杂质光电导体的长波限为杂质光电导体的长波限为杂质光电导体的长波限为（3 3）（4 4）光电导的弛豫）光电导的弛豫）光电导的弛豫）光电导的弛豫光电导是一种非平衡载流子效应，因此光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现象。有弛豫现象。光照到物体后，光
77、电导逐渐增加，最后光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止后，光电导在一段达到定态。光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这种现象表现了光电时间内逐渐消失，这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光电导上升导对光强变化反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间（惰性）。从实际应用将讲，其应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在迅速变化光强下，能否有效工决定了在迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机理看，弛豫表现为在作。从光电导的机理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失光强变化时，光生载流子的积累和消失过程
78、。过程。矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图矩形脉冲光照弛豫过程图 对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长短。r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。（5 5）光电导增益）光电导增益光电导体的外电流与光电流的比。光电导体的外电流与光电流的比。设光电导体的长度为设光电导体的长度为L L，截面积为，截面积为A A；光照下在杂质半；光照下在杂质半导体光电导器件中，每秒产生导体光电导器件中，每秒产生N N个电子（或空穴，以下个电子（或空穴，以下设为电子）；电子的平均寿命
79、为设为电子）；电子的平均寿命为 ；电子迁移率；电子迁移率 n n；; ;则则其中其中t tdrdr为载流子的渡越时间为载流子的渡越时间（二）光生伏特效应（二）光生伏特效应光光光光生生生生伏伏伏伏特特特特效效效效应应应应是是是是光光光光照照照照使使使使不不不不均均均均匀匀匀匀半半半半导导导导体体体体或或或或均均均均匀匀匀匀半半半半导导导导体体体体中中中中光光光光生生生生电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴，并并并并在在在在空空空空间间间间分分分分开开开开而而而而产产产产生生生生电位差的现象。即将光能转化成电能。电位差的现象。即将光能转化成电能。电位差的现象。即将光能转化成电能。电位差的现象。
80、即将光能转化成电能。不不不不均均均均匀匀匀匀半半半半导导导导体体体体：由由由由于于于于半半半半导导导导体体体体对对对对光光光光的的的的吸吸吸吸收收收收，内内内内建建建建电电电电场场场场使使使使载载载载流流流流子子子子定定定定向向向向运运运运动动动动而而而而产产产产生生生生电电电电位位位位差差差差。（像像像像PNPN结、结、结、结、异质结、异质结、异质结、异质结、肖特基结）肖特基结）肖特基结）肖特基结）均均均均匀匀匀匀半半半半导导导导体体体体：无无无无内内内内建建建建电电电电场场场场，半半半半导导导导体体体体对对对对光光光光的的的的吸吸吸吸收收收收后后后后，由由由由于于于于载载载载流流流流子子子
81、子的的的的扩扩扩扩散散散散速速速速度度度度不不不不同同同同，导导导导致致致致电电电电荷荷荷荷分分分分开开开开，产产产产生生生生的的的的光光光光生生生生电电电电势势势势。如如如如丹丹丹丹倍倍倍倍效效效效应应应应和和和和光光光光磁磁磁磁电电电电效效效效应应应应 。 PN PN结的光生伏特效应结的光生伏特效应结的光生伏特效应结的光生伏特效应PNPNPNPN结结结结受受受受到到到到光光光光照照照照时时时时：光光光光线线线线足足足足以以以以透透透透过过过过P P P P型型型型半半半半导导导导体体体体入入入入射射射射到到到到PNPNPNPN结结结结，对对对对于于于于能能能能量量量量大大大大于于于于材材材
82、材料料料料禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度的的的的光光光光子子子子，由由由由于于于于本本本本征征征征吸吸吸吸收收收收，就就就就可可可可激激激激发发发发出出出出电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对。内内内内建建建建电电场场把把把把N N N N中中中中的的的的空空空空穴穴穴穴拉拉拉拉向向向向P P P P区区区区，把把把把P P P P中中中中的的的的电电子子子子拉拉拉拉向向向向N N N N区区区区。大大大大量量量量的的的的积积积积累累累累产产产产生生生生一一一一个个个个与与与与内内内内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。建电场相反的光生
83、电场，即形成一个光生电势差。建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。 表示电子表示空穴光照度越光照度越强强，光生，光生电动势也就越大。也就越大。 当当PNPN结结两两端端通通过过负负载载构构成成闭闭合合回回路路时时，就就会会有有电电流流沿沿着着由由经经外外电电路路到到的的方方向向流流动动。只只要要辐辐射射光光不不停停止止，这这个个电电流流就就不不会会消消失失。这这就就是是PNPN结结被被光光照照射射时时产产生生光光生电动势和光电流的机理。生电动势和光电流的机理。注意：注意： PN结结产产生生光光生生伏伏特特的的条条件件是是 ，与照射光的强度无关；，与照射光的强度无关；光光生生伏伏特特的的大
84、大小小与与照照射射光光的的强强度度成成正正比。比。开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的关系关系 若入入射射光光作作用用下下，产产生生光光生生电电压压为为U U、光光生生电电流流为为I Ip p，入入射射光光功功率率为为P P。在在PNPN结结两两端端通过负载通过负载R RL L构成的回路及等效电路为构成的回路及等效电路为在在PNPN结结两两端端通通过过负负载载R RL L构构成成的的回回路路中中，外外电电流流I I与与光光生生电电流流I Ip p和和PNPN结结电流结结电流I IJ J之间的关系为之间的关系为 由由PNPN结电流特性知，结电流结电流特
85、性知，结电流 所以所以 光生电压为光生电压为 异质结的光生伏特效应异质结的光生伏特效应异质结的光生伏特效应异质结的光生伏特效应同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长不同半导体材料形成的结。体上生长不同半导体材料形成的结。体上生长不同半导体材料形成的结。体上生长不同半导体材料形成的结。 由于两种不同半导体材料具
86、有不同的禁带由于两种不同半导体材料具有不同的禁带由于两种不同半导体材料具有不同的禁带由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。只有当入射宽度。只有当入射宽度。只有当入射宽度。只有当入射光子光子光子光子到达结区时，到达结区时，到达结区时，到达结区时，小于小于小于小于宽禁禁禁禁带宽带宽度度度度而而而而大于大于大于大于窄窄禁禁禁禁带宽带宽度度度度的光子被吸收的光子被吸收的光子被吸收的光子被吸收，而且而且而且而且吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重合，合，合，合，从而从而从而从而
87、排除了表面载流子的复合损失，排除了表面载流子的复合损失，排除了表面载流子的复合损失，排除了表面载流子的复合损失，提高提高提高提高了光了光了光了光电转换电转换效率效率效率效率，得到快速响应的特性。，得到快速响应的特性。，得到快速响应的特性。，得到快速响应的特性。肖特基结的光生伏特效应肖特基结的光生伏特效应肖特基结的光生伏特效应肖特基结的光生伏特效应当在半导体基底上沉积一层金属形成的当在半导体基底上沉积一层金属形成的当在半导体基底上沉积一层金属形成的当在半导体基底上沉积一层金属形成的“金属半导金属半导金属半导金属半导体体体体”接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势接触时，在接触区附近也会形成空
88、间电荷区和势接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。 在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种 是是是是 ，光子被半导体吸收，形成电子空，光子被半导体吸收，形成电子空，光子被半导体吸收，形成电子空，光子被半导体吸收，形成电子空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴对
89、，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴向金属漂移；穴向金属漂移；穴向金属漂移；穴向金属漂移；另一种是另一种是另一种是另一种是 ，光子被金属吸收，激发，光子被金属吸收，激发，光子被金属吸收，激发，光子被金属吸收，激发的光电子向半导体移动。的光电子向半导体移动。的光电子向半导体移动。的光电子向半导体移动。丹倍效应丹倍效应丹倍效应丹倍效应 由由由由于于于于光光光光生生生生载载载载流流流流子子子子的的的的扩扩扩扩散散散散在在在在光光光光的的的的传传传传播播播播方方方方向向向向产产产产生生生生电电电电位位位
90、位差差差差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应的现象称为光电扩散效应或丹倍效应的现象称为光电扩散效应或丹倍效应的现象称为光电扩散效应或丹倍效应 。 当：用当：用当：用当：用 光照射均匀半导体的表面光照射均匀半导体的表面光照射均匀半导体的表面光照射均匀半导体的表面时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的和空穴。在半导体近表
91、面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散运动。体内部的扩散运动。体内部的扩散运动。体内部的扩散运动。 电电电电子子子子与与与与空空空空穴穴穴穴相相相相比比比比具具具具有有有有较较较较大大大大的的的的迁迁迁迁移移移移率率率率和和和和扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数，因因因因此此此此电电电电子子子子会会会会扩扩扩扩散散散散到到到到半半半半导导导导体体体体的的的的更更更更深深深深处处处处。在在在在短短短短期期期期内内内内
92、导导导导致致致致被被被被光光光光照照照照表表表表面面面面带带带带正正正正电电电电，另另另另一一一一面面面面带带带带负负负负电电电电，建建建建立立立立起起起起光光光光生生生生电电电电场场场场。即即即即在照射表面和未照射表面间产生一定电位差。在照射表面和未照射表面间产生一定电位差。在照射表面和未照射表面间产生一定电位差。在照射表面和未照射表面间产生一定电位差。 光磁电效应光磁电效应光磁电效应光磁电效应放放放放在在在在磁磁磁磁场场场场内内内内的的的的均均均均匀匀匀匀半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料受受受受到到到到光光光光照照照照射射射射（如如如如图图图图示示示示）时时时时，如如如如果果果果磁
93、磁磁磁场场场场的的的的方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直于于于于xoyxoy平平平平面面面面，洛洛洛洛伦伦伦伦兹兹兹兹力力力力把把把把扩扩扩扩散散散散电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴偏偏偏偏转转转转到到到到相相相相反反反反方方方方向向向向，导导导导致致致致电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴在在在在垂垂垂垂直直直直于于于于光光光光照照照照方方方方向向向向和和和和磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向的的的的半半半半导导导导体体体体的的的的两两两两端端端端面面面面分分分分别别别别积积积积累累累累，产生光磁电产生光磁电产生光磁电产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。场，对应的电动势被称
94、为光磁电电动势。场，对应的电动势被称为光磁电电动势。场，对应的电动势被称为光磁电电动势。(三）三）光电发射效应光电发射效应1 1、光电发射原理光电发射原理光电发射原理光电发射原理 具有能量具有能量具有能量具有能量hh的光子，被物质（金属或半的光子，被物质（金属或半的光子，被物质（金属或半的光子，被物质（金属或半导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面能量足以
95、克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射现象。光电发射现象又叫做外光电效应。现象。光电发射现象又叫做外光电效应。现象。光电发射现象又叫做外光电效应。现象。光电发射现象又叫做外光电效应。 可以发射电子的物质称为光电发射体。可以发射电子的物质称为光电发射体。可以发射电子的物质称为光电发射体。
96、可以发射电子的物质称为光电发射体。2、光电发射的基本定律、光电发射的基本定律（1）光电发射第一定律）光电发射第一定律斯托列托夫斯托列托夫定律：定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：成正比： Ik=SkF0Ik：光电流：光电流Sk：光强：光强F0：该阴极对入射光线的灵敏度：该阴极对入射光线的灵敏度（2 2）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦定律（光电发
97、射第二定律） 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：入射光强度无关：入射光强度无关：入射光强度无关：E Emaxmax=(1/2)m=(1/2)m2 2maxmax=h- h=h- h0 0=h- A=h- AE Emaxmax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。h h：普朗克常数。：普朗克常数。：普朗克常数。：普朗克常数。 0 0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。：产生光电发射的极限频率，频率阈
98、值。：产生光电发射的极限频率，频率阈值。：产生光电发射的极限频率，频率阈值。A A：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位最低能量），单位最低能量），单位最低能量），单位eVeV，与材料有关的常数，也称，与材料有关的常数，也称，与材料有关的常数，也称，与材料有关的常数，也称功函数。功函数。功函数。功函数。1eV=1.602E-19 J, e=1.602E-19 C1eV=1.602E-19 J, e=1.602E-19 C 入射光子的能量至少要等于逸出
99、功时，才能发入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。生光电发射。生光电发射。生光电发射。3 3、光电发射长波限、光电发射长波限、光电发射长波限、光电发射长波限 根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式根据爱因斯坦公式 式式式式中中中中 mm为为为为电电电电子子子子质质质质量量量量； 为为为为电电电电子子子子逸逸逸逸出出出出后后后后的的的的最最最最大大大大速速速速度度度度； 为为为为入入入入射射射射光的频率；光的频率；光的频率；光的频率； 为普朗克常数，其值为为普朗克常数，其值为为普朗克常数，其值
100、为为普朗克常数，其值为 ； 为光电发射体的逸出功。为光电发射体的逸出功。为光电发射体的逸出功。为光电发射体的逸出功。 显显显显然然然然，当当当当 时时时时，逸逸逸逸出出出出电电子子子子无无无无动动能能能能，那那那那么么么么，就就就就不不不不会会会会产产生光生光生光生光电发电发射，因此，射，因此，射，因此，射，因此，光电发射存在长波限光电发射存在长波限光电发射存在长波限光电发射存在长波限: : 当入射光波长大于当入射光波长大于当入射光波长大于当入射光波长大于 0 0时，不论光强如何，以及照射时间多长，时，不论光强如何，以及照射时间多长，时，不论光强如何，以及照射时间多长，时，不论光强如何，以及照
101、射时间多长，都不会有光电子产生。要用红外光（都不会有光电子产生。要用红外光（都不会有光电子产生。要用红外光（都不会有光电子产生。要用红外光（0.76m0.76m）发射电子，）发射电子，）发射电子，）发射电子，必须寻求低于必须寻求低于必须寻求低于必须寻求低于1.8eV1.8eV的低能阈值材料。的低能阈值材料。的低能阈值材料。的低能阈值材料。光电发射的基本过程光电发射的基本过程 光电发射大致可分三个过程：光电发射大致可分三个过程： 1) 1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。能量高于真空能级的激发态。
102、2) 2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3) 3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。 可见好的光电发射材料应该是：（可见好的光电发射材料应该是：（1 1）对光的吸收系数大，以便体）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；（内有较多的电子受到激发；（2 2）受激电子最好是发生在表
103、面附）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（3 3）材料的逸出功）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（4 4）另外，）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。源来补充因光电发射所失去的电子。上述探测器件所依据的物理效应的共同特性是：上述探测器件所依据的物理效应的共同特性是：上述探测器件所依据的物理效应的共同特性是：上述探测器件所依据的物理效应的共同
104、特性是：（1 1）光电效应的有、无只与入射光的波长、）光电效应的有、无只与入射光的波长、）光电效应的有、无只与入射光的波长、）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关；频率有关，与入射光的强度无关；频率有关，与入射光的强度无关；频率有关，与入射光的强度无关； 光电效应的产生，唯一的取决于入射光光电效应的产生，唯一的取决于入射光光电效应的产生，唯一的取决于入射光光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构。的波长、频率以及器件的能级结构。的波长、频率以及器件的能级结构。的波长、频率以及器件的能级结构。（2 2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，）光电效
105、应的强弱既与入射光的强度有关，）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。也与入射光的波长、频率有关。也与入射光的波长、频率有关。也与入射光的波长、频率有关。 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。不同。不同。不同。光电器件的分类光电器件的分类光电器件是光电技术的核心光电器件
106、是光电技术的核心光电器件是光电技术的核心光电器件是光电技术的核心 定义：凡能探测某种电磁辐射的各种电子器件，都应归入光电定义：凡能探测某种电磁辐射的各种电子器件，都应归入光电定义：凡能探测某种电磁辐射的各种电子器件，都应归入光电定义：凡能探测某种电磁辐射的各种电子器件，都应归入光电探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产探测器件。一般只讨论在紫外、红外和可见光范围内感光并产生电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。生电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。生
107、电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。生电信号的元件，称其为光电探测元件，简称光电器件。 光电器件依据的物理基础：主要是固体的光电效应，就是固体光电器件依据的物理基础：主要是固体的光电效应，就是固体光电器件依据的物理基础：主要是固体的光电效应，就是固体光电器件依据的物理基础：主要是固体的光电效应，就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、学性质发生改
108、变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。光生伏特效应等。光生伏特效应等。光生伏特效应等。一、按工作波段分一、按工作波段分一、按工作波段分一、按工作波段分 : : 紫外光探测器，紫外光探测器，紫外光探测器，紫外光探测器， 可见光探测器，红外光探测器。可见光探测器，红外光探测器。可见光探测器，红外光探测器。可见光探测器，红外光探测器。二、按应用分：二、按应用分：二、按应用分：二、按应用分： 换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）换能器将光信息（光能）转换成电信息（
109、电能）换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息非成像型光信息转换成电信息 探测器变像管探测器变像管探测器变像管探测器变像管成像型成像型成像型成像型 像增强器像增强器像增强器像增强器 摄像管，真空摄像管，摄像管，真空摄像管，摄像管，真空摄像管，摄像管，真空摄像管， 固体成像器件固体成像器件固体成像器件固体成像器件探测器件热电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电
110、管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管三、按反应机理（结构形式）分三、按反应机理（结构形式）分三、按反应机理（结构形式）分三、按反应机理（结构形式）分 光电器件大都由半导体材料制成，也有用金属和其光电器件大都由半导体材料制成，也有用金属和其他材料制成的。他材料制成的。光电器件与热敏型辐射探测器相比，有两个明显的光电器件与热敏型辐射探测器相比，有两个明显的特点：特点： 1 1、光电器件具有选择性的吸收，对不同波长的辐射、光电器件具有选择性的吸收，对不同波长的辐射也就具有选择性的灵敏度。光电器件接收光谱范围也就具有选择性的灵敏度。光
111、电器件接收光谱范围因制作光电器件所用的材料而异。热敏型辐射探测因制作光电器件所用的材料而异。热敏型辐射探测器的灵敏度与辐射波长无关。器的灵敏度与辐射波长无关。 2 2、光电器件通常具有灵敏度高，惰性小，、光电器件通常具有灵敏度高，惰性小， 响应速响应速度快，因此，具有很高的频率响应。热敏型辐射探度快，因此，具有很高的频率响应。热敏型辐射探测器的惰性强，响应速度慢，不能用于高变化的频测器的惰性强，响应速度慢，不能用于高变化的频率辐射的探测。率辐射的探测。光电器件的主要用途： （1）用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。 （2）在自动控制中作为光电转换器
112、，主要考虑的是光电转换效能。 其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的太阳能电池。光电技术的应用和发展光电技术的应用和发展光学技术处理的是空间光强信息，它具有多维、并行、快速光学技术处理的是空间光强信息，它具有多维、并行、快速数据处理等能力。电子技术处理的是一维电量随时间的变化，数据处理等能力。电子技术处理的是一维电量随时间的变化，它有较高的运算灵活性和变换精度。它有较高的运算灵活性和变换精度。 光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征：光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征： 有广泛的适用范围有广泛的适用范围 能获取和处理各种光学信息以及可以能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光
113、学参量，包括探测机构内部或危险环境转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量。下的工作参量。有较高的信号检测能力能进行远距离、非接触、快速、有较高的信号检测能力能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。 有较强的信息运算能力可进行复杂信息的并行处理有较强的信息运算能力可进行复杂信息的并行处理和多种形式的数学运算。运算速度高，空间互连效率高，抗和多种形式的数学运算。运算速度高，空
114、间互连效率高，抗干扰能力强，可调制变量多，信号变换灵活。干扰能力强，可调制变量多，信号变换灵活。光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测量和光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已遍及军事、控制、光电信息处理和光存储等的应用已遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环境科学、医疗卫科学研究、工业、农业、宇宙和环境科学、医疗卫生和民用等各个领域。生和民用等各个领域。 从星体温度探测人造卫星监测到生物细胞的显微测从星体温度探测人造卫星监测到生物细胞的显微测量和微循环检查，量和微循环检查， 从视觉工业机器人和光学计算机到民用全自动照相从视觉工业机器人和光学计算机
115、到民用全自动照相机和简单光电开关，光电技术已经成为现代科学技机和简单光电开关，光电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不可缺少的环节。术和人民生活中不可缺少的环节。 特别是在生产领域中生产过程的视觉检查和制品加特别是在生产领域中生产过程的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数的精密测试以及图形检测工自动化、各种性能参数的精密测试以及图形检测和分析判断等方面，光电技术将发挥重要作用。和分析判断等方面，光电技术将发挥重要作用。2.2光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数光电探测器和其它器件一样，有光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数，一套根据实际需要而制定的特性参数，
116、用于评价探测器的性能优劣。用于评价探测器的性能优劣。（1 1）响应特性响应特性；（；（2 2）噪声特性噪声特性；（3 3）量子效率量子效率；（4 4）线性度；（）线性度；（5 5）工作温度）工作温度响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。（注意：它是入射光波长的函数，并分为电压响应率和电流响应率。） 光电流 （或光电压u u）和入射光功率P之间的关系 称为探测器的光电特性。一、响应特性一、响应特性灵敏度灵敏度S 定义为这个曲线的斜率：定义为这个曲线的斜率：输出响应输出响应（电压或电流）入射光功率之比。（电压或电流）入射光功率之比
117、。SI电流响应率电流响应率（积分电流灵敏度）（积分电流灵敏度）SU电压响应率电压响应率（积分电压灵敏度）（积分电压灵敏度）光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比：相对光谱灵敏度：相对光谱灵敏度： 光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要。如果是常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。是指 的最大值，对应的波长称为峰值波长。积分响应度积分响应度：检测器对各种波长光连续辐：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度射量的反应程度响应时间响应时间：响应时间：响应时间是描述
118、光电探测器是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（如图对入射光响应快慢的一个参数（如图2-82-8）。）。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC） 频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带
119、宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。n用均方噪声来表示噪声值大小n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每
120、一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。3、产生-复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合
121、的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信噪比、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比：n若用分贝（dB）表示，为：、噪声等效功率、噪声等效功率(NEP)(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)噪声噪声等效功率等效功率：n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电
122、流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。噪声等效功率是一个可测量的量设入射辐射的功率为Ps，测得的输出电压为U0；然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN；则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为：、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。三、量子效率（）n量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1n实际上， 1
123、n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系I/q：每秒产生的光子数P/h：每秒入射的光子数四、线性度n线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。n在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。n非线性误差：max / ( I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。五、工作温度n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。n光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。六、其它参量六、其它参量光电探测器还有其它一些参量，在使用时必须注意到。主要的有：光敏面积、探测器电阻、电容、工作电压、工作电流、光照功率范围等。
