第1章光电导探测器PPT讲稿.ppt
第1章光电导探测器第1页，共47页，编辑于2022年，星期一21.1 1.1 什么是半导体光电器件什么是半导体光电器件l 半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，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。使光和电相互转化的新型半导体器件。l 利用半导体的光电效应制成的器件。利用半导体的光电效应制成的器件。l是一种利用光子与电子的相互作用所具有的特性来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。实现某种功能的半导体器件。第2页，共47页，编辑于2022年，星期一31.21.2半导体光电器件的分类半导体光电器件的分类 光电器件主要有利用半导体光敏特性工作的光电器件主要有利用半导体光敏特性工作的光电导器件光电导器件，利，利用半导体光伏打效应工作的用半导体光伏打效应工作的半导体发光器件半导体发光器件以及以及光电池光电池，探探测器件测器件和和成像器件成像器件。l 半导体发光器件半导体发光器件 利用半导体利用半导体PNPN结正向通电时载流子注入符合发光的器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件称为半导体发光器件发光二极管发光二极管半导体激光器第3页，共47页，编辑于2022年，星期一4l 太阳能电池太阳能电池 第4页，共47页，编辑于2022年，星期一5l 光电探测器光电探测器 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。信号转换为电信号。光敏电阻：光敏电阻：制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化银、硫化制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化银、硫化铅等铅等光电二三极管：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。与导电，会增大反向饱和电流和电压。第5页，共47页，编辑于2022年，星期一6l 成像器件成像器件 太赫兹波成像器件太赫兹波成像器件第6页，共47页，编辑于2022年，星期一71.3 1.3 半导体光电器件的应用半导体光电器件的应用第7页，共47页，编辑于2022年，星期一8第二章 光电导探测器1.1 光电导探测器及光敏电阻的工作原理光电导探测器及光敏电阻的工作原理1.2 光敏电阻的结构光敏电阻的结构1.3 光敏电阻的应用光敏电阻的应用1.4 光敏电阻的特点光敏电阻的特点1.5 光敏电阻的参数确定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 1.5.5 光谱响应率与光谱响应曲线光谱响应率与光谱响应曲线 1.5.6 1.5.6 光电导惰性和响应时间光电导惰性和响应时间 1.5.7 1.5.7 频率特性频率特性 1.5.8 1.5.8 光电特性和光电特性和值值 1.5.9 1.5.9 前历特性前历特性 1.5.10 1.5.10伏安特性伏安特性 1.5.11 1.5.11光谱响应光谱响应特性特性第8页，共47页，编辑于2022年，星期一1.本征半导体本征半导体 Si Si Si Si晶体结构晶体结构载流子浓度跟费米能级的关系级的关系能带图能带图知识准备第9页，共47页，编辑于2022年，星期一2.N型半导体型半导体 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即在常温下即可变为自由可变为自由电子电子失去一个电子失去一个电子变为正离子变为正离子 在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素在本征半导体中掺入五价元素,形成的半导体。形成的半导体。形成的半导体。形成的半导体。载流子浓度跟费米能跟费米能级的关系能带图能带图第10页，共47页，编辑于2022年，星期一3.P 型半导体型半导体 Si Si Si SiB硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电子变为电子变为电子变为电子变为负离子负离子负离子负离子空穴空穴无论无论无论无论N型或型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。载流子浓度跟费米能跟费米能级的关系能带图 在本征半导体中掺入三价元素在本征半导体中掺入三价元素在本征半导体中掺入三价元素在本征半导体中掺入三价元素,形成的半导体。形成的半导体。形成的半导体。形成的半导体。第11页，共47页，编辑于2022年，星期一124.半导体中欧姆定律的微分形式：半导体中欧姆定律的微分形式：第12页，共47页，编辑于2022年，星期一135.迁移率（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：空穴迁移率空穴迁移率 单位：cm2/(Vs)第13页，共47页，编辑于2022年，星期一6.电导率和迁移率的关系电导率和迁移率的关系漂移运动热运动第14页，共47页，编辑于2022年，星期一7.金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图 金属金属(导体导体)：能带被电子部分占满，能带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电。在电场作用下这些电子可以导电。第15页，共47页，编辑于2022年，星期一中文名称：中文名称：光电导探测器英文名称：英文名称：photoconductive detector 定义：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。第16页，共47页，编辑于2022年，星期一1.1.本征型光敏电阻本征型光敏电阻价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg 要发生光电导效应，必须满足：2.2.杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻N价带导带低温无光照时Ed低温有光照时低温有光照时P工作时温度要低-防止热激发低温无光照时Ea价带导带1.1 光敏电阻的工作原理第17页，共47页，编辑于2022年，星期一1.2 光敏电阻的结构1.陶瓷基底 （绝缘）2.光敏材料 （蛇形）产生光电流）3.金属电极 （引导光电流）4.金属管帽+塑封（隔绝外部气体）第18页，共47页，编辑于2022年，星期一220 V1.3 光敏电阻的应用举例路灯自动点亮装置第19页，共47页，编辑于2022年，星期一光电导效应-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 1.4 光敏电阻的特点第20页，共47页，编辑于2022年，星期一 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;?，既可测强光也可测弱光。偏置电压低，无极性之分。?1.4 1.4 光敏电阻的特点光敏电阻的特点 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。第21页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5 光敏电阻的参数确定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值第22页，共47页，编辑于2022年，星期一1.4 光敏电阻的参数确定1.5.1 1.5.1 光敏电阻的电流光敏电阻的电流 （I Id d？I IP P？I 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第23页，共47页，编辑于2022年，星期一 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。如果产生的光生载流子浓度用n和p表示。则光照稳定情况下的电导率为1.21.2-1.1 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 ()；式中,b=n/p为迁移比。则电导率的变化为：第24页，共47页，编辑于2022年，星期一由于光照的增加,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 单位时间内每入射一个光子所能引起的载流子数。量子效率第25页，共47页，编辑于2022年，星期一26根据根据欧姆定律的微分形式，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1.41.5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：第26页，共47页，编辑于2022年，星期一1.6光敏电阻的光电流 Ip与L的平方成反比。1.7则亮电流为：第27页，共47页，编辑于2022年，星期一28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、光电流第28页，共47页，编辑于2022年，星期一设：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暗电流亮电流光电流第29页，共47页，编辑于2022年，星期一三种量之间的关系-光电导长度对光电流的影响-第30页，共47页，编辑于2022年，星期一 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。第31页，共47页，编辑于2022年，星期一暗电导：亮电导：光电导：1.5.2 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第32页，共47页，编辑于2022年，星期一光电导增益：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。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所需的有效度越时间1.5.31.5.3光电导增益 （photoconductivity）提高增益的措施：增加载流子的寿命 及第33页，共47页，编辑于2022年，星期一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第34页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.5 1.5.5 光谱响应率与光谱响应曲线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 延长载流子寿命第35页，共47页，编辑于2022年，星期一较长波长，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 光谱响应曲线第36页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.6 1.5.6 光电导惰性和响应时间 l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，pn0，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/cosh 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。第39页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.7 1.5.7 频率特性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。23第40页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.8 光电特性和值值弱光照射时：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；光电流；Sg光电导灵敏度光电导灵敏度;E光照度；光照度；光照指数，它与材料和入射光强弱有关，对于光照指数，它与材料和入射光强弱有关，对于 CdS、PbS等，在弱光照射下等，在弱光照射下 =1，在强光照射下，在强光照射下=1/2，一般，一般=0.51；U 光敏电阻两端所加的电压；光敏电阻两端所加的电压；a电压指数，欧姆接触时电压指数，欧姆接触时a=1，非欧，非欧 姆接触姆接触a=1.11.2；非线性E（lx）Ip第41页，共47页，编辑于2022年，星期一前历效应 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态,当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢。一般情况下，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。1.5.9 前历效应前历效应 是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度于工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如图所示。一般情况第42页，共47页，编辑于2022年，星期一两个明显的特点两个明显的特点 光敏电阻的本质是电阻，复合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是 它的阻值是随着入射光通量而变化的。1.5.10 伏安特性 一是在额定功率范围内（如50mW）光电流与所加电压成线性，即电流 正比 于所施加外电压。二是当光敏电阻器上承受的功率超过它本身的额定功率后，曲线开始变弯，趋向饱和，电流并未继续增大，即大部分光生载流子已参与为光电流。第43页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.11 1.5.11 光谱响应特性 光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对（归一化）关系。归一化：每条曲线上的纵坐标除以峰值所对应的纵坐标。光谱响应主要由材料禁带宽度决定，禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却灵敏面的办法来降低热发射，来提高灵敏度往往是很有效的。温度降低，使灵敏范围和峰值向长波范围移动，降低了热发射，提高了灵敏度。第44页，共47页，编辑于2022年，星期一1.5.12 常见光敏电阻常见光敏电阻1.1.硫化镉（硫化镉（CdSCdS）光敏电阻）光敏电阻2.2.硫化铅（硫化铅（PbSPbS）光敏电阻）光敏电阻峰值波长：0.52m,掺入微量铜或氯可以峰值波长变长亮暗电导比可达1011，一般为106在近红外波段比较灵敏，响应波长可达3m,峰值探测率D*=1.5*1011cm.Hz1/2/W,但响应时间长，200300 s3.3.锑化铟（锑化铟（InSbInSb）光敏电阻）光敏电阻长波限可达7.5 m，峰值探测率D*=1.2*109cm.Hz1/2/W,冷却到零度时，还可提高23倍,时间常数2*10-2 s绿光近红外近红外第45页，共47页，编辑于2022年，星期一4.4.碲镉汞（碲镉汞（HgCdTeHgCdTe）系列光敏电阻）系列光敏电阻5.5.碲锡铅（碲锡铅（PbSnTePbSnTe）系列光敏电阻）系列光敏电阻Hg1-xCdxTe系列光敏电阻是由CdTe和 HgTe两种材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围Hg0.8 Cd0.2 Te：814 m，峰值波长10.6 m Hg0.72 Cd0.28 Te：35 m PbPb1-x1-xSnSnx xTe:Te:光谱范围光谱范围810 m 响应率低，应用不广泛近红外第46页，共47页，编辑于2022年，星期一471.简述光敏电阻的敏感机理？2.什么是光电导的弛豫时间和响应时间？3.光电导探测器有哪些主要的特性参数，意义是什么？光电子器件大作业一第47页，共47页，编辑于2022年，星期一
