光电器件基础26节yua

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1、2.6 2.6 光电效应光电效应 当光照射到物体上，使物体发射电子、或导电率发生变当光照射到物体上，使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为改变统称为光电效应光电效应。 光电效应可分为光电效应可分为: : 内光电效应内光电效应 外光电效应外光电效应物质被光照射后所产生的载流子物质被光照射后所产生的载流子仍在物质内部运动，使物质的电仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的导率发生变化或产生光生伏特的现象。现象。物质被光照射产生的电子物质被光照射产生的电子逸出物质表面，形成真空逸

2、出物质表面，形成真空中的电子的现象。中的电子的现象。2.6.1 2.6.1 内光电效应内光电效应1.1.光电导效应光电导效应 当半导体受到光照射后，其内部产生光生载流子，使半导当半导体受到光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象称为体中载流子数显著增加而电阻减小的现象称为光电导效应光电导效应。 光电导效应可分为光电导效应可分为 本征光电导效应本征光电导效应 杂质光电导效应杂质光电导效应在光的作用下由本征在光的作用下由本征吸收引起的半导体电吸收引起的半导体电导率的变化现象。导率的变化现象。在光的作用下由杂质吸收引起的半在光的作用下由杂质吸收引起的半导体电导率的变

3、化现象。导体电导率的变化现象。图图2-12 2-12 光电导体光电导体 如果通量为如果通量为e,e,的单色辐射入射到如图的单色辐射入射到如图2-122-12所示的光电所示的光电导体上，波长导体上，波长的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间（每秒）所吸收的（每秒）所吸收的量子数密度量子数密度N Ne,e,为为（2-732-73） 光敏层每秒产生的光敏层每秒产生的电子数密度电子数密度Ge为为（2-742-74）式中式中为半导体材料的量子效率。为半导体材料的量子效率。 在热平衡状态下，半导体的热电子产生率在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复与热电子

4、复合率合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率与光电子产生率Ge之和之和（2-752-75） 导带中的电子与价带中的空穴的导带中的电子与价带中的空穴的总复合率总复合率R为为（2-762-76） 式中，式中，Kf为载流子的复合几率，为载流子的复合几率，n为导带中的光生电子浓度，为导带中的光生电子浓度，p为价带中的光生空穴浓度，为价带中的光生空穴浓度，ni与与pi分别为热激发电子与空分别为热激发电子与空穴的浓度。穴的浓度。 热电子复合率热电子复合率r rt t与导带内热电子浓度与导带内热电子浓度n ni i及价带内空穴浓度及

5、价带内空穴浓度p pi i的乘积成正比。即的乘积成正比。即（2-772-77） 在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即 （2-782-78） 在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即产生率与总复合率的差。即（2-792-79） （1 1）在微弱辐射作用下）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度，光生载流子浓度n远小于热激发电远小于热激发电子浓度子浓度ni，光生空穴浓度，光生空穴浓度p远小于热激发空穴的浓度远小于热激发空穴的浓度pi，并考，并考虑到本征吸收的特点：虑到本

6、征吸收的特点：n=p，式（式（2-792-79）可简化为）可简化为 利用初始条件利用初始条件t = 0时，时，n = 0，解微分方程得，解微分方程得（2-802-80）式中式中=1/Kf(ni+pi) 称为称为载流子的平均寿命载流子的平均寿命。 光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当t 时，时，载流子浓度载流子浓度n 达到稳态值达到稳态值n0，即达到动态平衡状态，有，即达到动态平衡状态，有（2-812-81） 光激发载流子引起半导体电导率的变化光激发载流子引起半导体电导率的变化为为（2-822-82）式中，式中，为电子迁移率为电子迁移率n n与空穴迁移

7、率与空穴迁移率p p之和。之和。 半导体材料的光电导半导体材料的光电导g g为为（2-832-83）将式（将式（2-732-73）代入式（）代入式（2-832-83）得到）得到（2-842-84） 在弱辐射作用下的半导体材料的光电导与入射辐射通量在弱辐射作用下的半导体材料的光电导与入射辐射通量e,e,成线性关系。成线性关系。 对式（对式（2-842-84）求导可得）求导可得 由此可得半导体材料在弱辐射作用下的由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度光电导灵敏度S Sg g（2-852-85） 在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性

8、质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方的平方成反比。成反比。 （2 2）在强辐射的作用下）在强辐射的作用下，n ni，p pi，式（式（2-2-7979）可以简化为可以简化为 利用初始条件利用初始条件t = 0时，时，n = 0，解微分方程得，解微分方程得（2-862-86）式中，式中， 为强辐射作用下载流子的平均寿命。为强辐射作用下载流子的平均寿命。 在强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量在强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为间的关系为（2-872-87）是抛物线关系。是抛物线关系。 对式（对式（2-872-

9、87）进行微分得）进行微分得（2-882-88） 在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，而且与入射辐射量有关，是非线性的。与材料的性质有关，而且与入射辐射量有关，是非线性的。 半导体的光电导灵敏度与入射辐射通量的关系为：半导体的光电导灵敏度与入射辐射通量的关系为： 在弱辐射作用的情况下是线性的；在弱辐射作用的情况下是线性的； 随着辐射的增强，线性关系变坏；随着辐射的增强，线性关系变坏； 当辐射很强时，变为抛物线关系。当辐射很强时，变为抛物线关系。2.2.光生伏特效应光生伏特效应 光生伏特效应是把光能变成电能的一种效应。

10、它是光照光生伏特效应是把光能变成电能的一种效应。它是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。而产生电位差的现象。 光生伏特效应光生伏特效应可分为可分为 由内建电厂的作用或势垒效应产生的光生伏特效应由内建电厂的作用或势垒效应产生的光生伏特效应 体积光生伏特效应体积光生伏特效应 丹培（倍）效应丹培（倍）效应 光磁电效应光磁电效应 图图2-13 2-13 半导体示半导体示PNPN结示意图结示意图 图图2-14 PN2-14 PN结的能带结构结的能带结构 当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将当设定内建电场

11、的方向为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为，若入射辐射通量为e,的辐的辐射作用于射作用于PN结上，则有电流结上，则有电流I流过负载电阻，并在负载电阻流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为，流过负载电阻的电流应为（2-892-89）式中，式中， 为光生电流，为光生电流，I D为暗电流。为暗电流。I I的另一种定义：的另一种定义： 当当U =0时的输出电流时的输出电流ISC即短路电流，并有即短路电流，并有（2-902-90） 短路时，被内建电场分开的光生载流子沿外电路流动，短路时，被内建电

12、场分开的光生载流子沿外电路流动，不发生附加电荷的聚积且势垒高度不变，即光电压为零。这不发生附加电荷的聚积且势垒高度不变，即光电压为零。这时得到最大的光电流，称为时得到最大的光电流，称为短路光电流短路光电流。 当当I = 0时（时（PN结开路），结开路），PN结两端的开路电压结两端的开路电压UOC为为 （2-912-91） 在开路的情况，所有被内建电场分开的光生载流子积在开路的情况，所有被内建电场分开的光生载流子积聚于聚于PNPN结，最大限度的补偿势垒，即建立起最高的光电压，结，最大限度的补偿势垒，即建立起最高的光电压，这称为这称为开路光电压开路光电压。 在外接一定电阻值的负载时，被内建电场分开

13、的光生在外接一定电阻值的负载时，被内建电场分开的光生载流子中一部分积聚于载流子中一部分积聚于PNPN结补偿势垒使势垒降低，而另一结补偿势垒使势垒降低，而另一部分载流子则流经外电路。部分载流子则流经外电路。3.3.丹培（丹培（DemberDember）效应）效应 图图2-15 2-15 光生载流子扩散运动光生载流子扩散运动 当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓度差。与空穴载流子，而遮蔽区的

14、载流子浓度很低，形成浓度差。这样，由于两部分载流子浓度差很大，必然引起载流子由受这样，由于两部分载流子浓度差很大，必然引起载流子由受照面向遮蔽区的扩散运动。由于电子的迁移率大于空穴的迁照面向遮蔽区的扩散运动。由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此，在向遮蔽区运动的过程中，电子很快进入遮蔽移率，因此，在向遮蔽区运动的过程中，电子很快进入遮蔽区，而空穴落在后面。这样，受照面累积了空穴，遮蔽区累区，而空穴落在后面。这样，受照面累积了空穴，遮蔽区累积了电子，产生光生伏特现象。积了电子，产生光生伏特现象。 由于载流子迁移率差别产生受照面与遮光面之间的伏特由于载流子迁移率差别产生受照面与遮光面之间的伏特现

15、象称为现象称为丹培效应丹培效应。 丹培效应产生的光生电压为丹培效应产生的光生电压为（2-942-94）式中，式中，n0与与p0为热平衡载流子的浓度；为热平衡载流子的浓度；n0为半导体表面处为半导体表面处的光生载流子浓度；的光生载流子浓度；n与与p分别为电子与空穴的迁移率。分别为电子与空穴的迁移率。n= 1400 cm2/(Vs)，而，而p= 500 cm2/(Vs)，显然，显然n p。 以适当频率的单色辐射照射到后度为以适当频率的单色辐射照射到后度为d d 的半导体样品上的半导体样品上时，如果材料的吸收系数时，如果材料的吸收系数1/1/d d，则背光面相当于被遮面。，则背光面相当于被遮面。迎光

16、面产生的电子与空穴浓度远比背光面高，在扩散力的作迎光面产生的电子与空穴浓度远比背光面高，在扩散力的作用下形成双极性扩散运动。结果，半导体的迎光面带正电，用下形成双极性扩散运动。结果，半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压。背光面带负电，产生光生伏特电压。 由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特现象也称为现象也称为丹培效应丹培效应。4.4.光磁电效应光磁电效应图图2-16 2-16 光生载流子扩散运动光生载流子扩散运动 在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导体受

17、光照射产生丹培效应时，在垂直于光照方向与磁场方向导体受光照射产生丹培效应时，在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上、下表面上产生伏特电压，称为的半导体上、下表面上产生伏特电压，称为光磁电场光磁电场。这种现。这种现象称为半导体的象称为半导体的光磁电效应光磁电效应。 光磁电场可由下式确定光磁电场可由下式确定（2-952-95）式中，式中，p0，pd分别为分别为x=0，x=d处处N型半导体在光辐射作用型半导体在光辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；D 为为双极性载流子双极性载流子的扩散系数，在数值上等于的扩散系数，在数值上等于（2-962-96）其中，其中，

18、D Dn n与与D Dp p分别为电子与空穴的扩散系数。分别为电子与空穴的扩散系数。5.5.光子牵引效应光子牵引效应 在光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量而不在光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量而不是能量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向是能量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。在开路的情况下，半导体样品将产生电做相对于晶格的运动。在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应光子牵引效应。 在室温下，在室温下，P P型锗光子牵引探测器的型锗光子牵引探测

19、器的光电灵敏度光电灵敏度为为（2-982-98）式中，式中，为锗窗的电阻率，为锗窗的电阻率，p p为空穴迁移率，为空穴迁移率，A A为探测器的面为探测器的面积；积；c c为光速，为光速，为材料的吸收系数；为材料的吸收系数；r r为探测器表面的反射系为探测器表面的反射系数；数；l l为探测器沿光方向的长度；为探测器沿光方向的长度；p p为空穴的浓度为空穴的浓度. .2.6.2 2.6.2 光电发射效应光电发射效应 1.1.光电发射效应（外光电效应）光电发射效应（外光电效应） 当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子

20、的现象。质表面成为真空中的自由电子的现象。 外光电效应中光电能量转换的基本关系为外光电效应中光电能量转换的基本关系为（2-992-99）含义含义：具有具有hv 能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值大于光电发射材料的光电发射阈值Eth，则质量为，则质量为m的电子的的电子的初始动能初始动能mv02/2便大于便大于0。即有电子飞出光电发射材料进入真。即有电子飞出光电发射材料进入真空（或溢出物质表面）。空（或溢出物质表面）。 图图2-17 2-17 金属材料能级结构金属材料能级结构 金属材料的金属材料的光电发射阈值光电发射阈值 导带

21、与价带连在一起，它的光电发射阈值导带与价带连在一起，它的光电发射阈值E Ethth等于真空能级等于真空能级与费米能级之差与费米能级之差 （2-1002-100）2. 不同材料的光电发射阈值不同材料的光电发射阈值式中，式中，Evac为真空能级，一般设为参考能级为为真空能级，一般设为参考能级为0；费米能级；费米能级Ef为为负值；光电发射阈值负值；光电发射阈值E Ethth0 0。 三种半导体的光电发射阈值三种半导体的光电发射阈值 处于导带中的电子的光电发射阈值为处于导带中的电子的光电发射阈值为（2-1012-101）图图2-18 三种半导体的综合能级结构三种半导体的综合能级结构即导带中的电子接收的

22、光子能量大于电子亲合电势即导带中的电子接收的光子能量大于电子亲合电势E EA A后，就可后，就可以飞出半导体表面。对于价带中的电子，其光电发射阈值以飞出半导体表面。对于价带中的电子，其光电发射阈值E Ethth为为 （2-1022-102）说明电子由价带顶溢出物质表面所需要的最低能量，即为光电说明电子由价带顶溢出物质表面所需要的最低能量，即为光电发射阈值。由此可以获得发射阈值。由此可以获得光电发射波长限光电发射波长限为为（2-1032-103） 利用具有光电发射效应的材料也可以制成各种光电探测器利用具有光电发射效应的材料也可以制成各种光电探测器件，这些器件统称为件，这些器件统称为光电发射器件光

23、电发射器件。 光电发射器件的特点光电发射器件的特点： 1.1.光光电电发发射射器器件件中中的的导导电电电电子子可可以以在在真真空空中中运运动动，可可以以通通过过电电场场加加速速电电子子运运动动的的动动能能，或或通通过过电电子子的的内内倍倍增增系系统统提提高高光光电电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号。探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号。 2.2.很很容容易易制制造造出出均均匀匀的的大大面面积积光光电电发发射射器器件件。一一般般真真空空光光电电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3.3.光光电电发发射射器器件件需需要要高高稳稳定定的的高高压压直直流流电电源源设设备备，使使得得整整个个探探测测器器体体积积庞庞大大，功功率率损损耗耗大大，不不适适用用于于野野外外操操作作，造造价价也也昂昂贵。贵。 4. 4.光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。