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光电检测技术光电检测技术教材教材：雷玉堂雷玉堂雷玉堂雷玉堂编，光电检测技术，中国计量出版社编，光电检测技术，中国计量出版社参考教材参考教材：光电检测技术与应用光电检测技术与应用 郭培源郭培源 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 光电信号检测光电信号检测 吴杰吴杰 哈尔滨工业出版社哈尔滨工业出版社 光电检测技术光电检测技术 高稚允高稚允 国防工业出版社国防工业出版社人类通过自身的感觉器官从外界获取信息再次认识人眼n高灵敏度：光的辐射通量2*10-172*10-5Wn高分辨力P2n对不同波长光灵敏度不同：存在明暗视见函数n0.1s的视觉暂留时间和50ms的动态响应时间材料的检测与控制技术4/60五官与传感器五官与传感器人的人的五官五官感觉感觉器官器官对象对象传感器传感器原理原理视觉视觉眼眼光光光传感器光传感器视觉传感器视觉传感器光电效应（光光电效应（光 电）电）听觉听觉耳耳声波声波压力传感器听压力传感器听觉传感器觉传感器压电效应（声波压电效应（声波 电）电）触觉触觉皮肤皮肤压力压力温度温度压力传感器温压力传感器温度传感器度传感器压电效应（声波压电效应（声波 电）电）塞贝克效应（温度塞贝克效应（温度 电）电）嗅觉嗅觉鼻鼻气体气体气味物质气味物质气体传感器气体传感器气味传感器气味传感器吸附效应（气吸附效应（气 电）电）吸附效应（质量变化吸附效应（质量变化 频率频率变化，气变化，气 电）电）味觉味觉舌舌味觉物质味觉物质味觉传感器味觉传感器电化学效应（相互作用电化学效应（相互作用 电）电）狭义：“光电子材料”替代“人眼”信息检测技术信息检测技术光学检测技术光学检测技术电子检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制易存储，可转移，好控制光电检测技术光电检测技术被测被测对像对像光光学学系系统统光光电电转转换换被测对象的信息加载被测对象的信息加载光源光源信息信息载体载体光电探光电探测器测器信息处理信息处理光光电电检检测测系系统统定向反射式光电传感器E3X-ZA光电传感器光电式烟雾传感器光电式转速传感器亮度传感器反射式光电传感器圆柱形光电传感器反射型光电传感器微型光电传感器各种光电传感器：各种光电传感器：第一章 光电检测技术基础光电检测技术基础1.1辐射度量和光度量1.2半导体物理基础1.3光电效应1.1 辐射度量和光度量辐射度量和光度量一、光的基本性质一、光的基本性质q光的微粒流学说光的微粒流学说n牛顿，17世纪:反射、折射q光的波动学说光的波动学说:电磁波电磁波n惠更斯，杨氏，麦克斯韦（1860）：干涉、衍射、偏振q光的波粒二象性光的波粒二象性n电磁波(光传播时)：干涉、衍射、偏振、反射、折射n光子流(与物质作用)：发射、吸收、色散、散射可见光：可见光：红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫n光的基本特性光的基本特性q光谱范围：光谱范围：1pm1mm，波长短，波长短q可见光波长：可见光波长：380nm780nmq真空中光速真空中光速:q光在媒质中传播速度光在媒质中传播速度:v=/nq光子能量：光子能量：E=hq光子动量：光子动量：p=h/c=h/q普朗克常数普朗克常数:一、光的基本性质一、光的基本性质1.1 辐射度量和光度量二、光辐射度量1.1 辐射度量和光度量名称符号定义单位辐辐射能射能 Qe 以辐射形式发射、传播或接收的能量。焦耳(J)辐辐射能密度射能密度we光源在单位体积内的辐射能。We=dQe/dV.焦耳/米3(J/m3)辐辐射通量射通量 e 单位时间内通过某一定面积的辐射能。e=dQe/dt 瓦特(W)辐辐射出射度射出射度 e 辐射体在单位面积上辐射的通量或功率。e=de/dA 瓦/平方米(W m-2)辐辐射射强强度度 e 在单位时间、单位立体角立体角内点光源所辐射出的能量。e=de/d瓦/球面度(W sr-1)辐辐射亮度射亮度 Le 由辐射表面定向发射的辐射强度。Le=de/(dAcos)瓦/球面度平方米(W sr-m-2)辐辐射照度射照度 e 单位面积内所接收到的辐射通量。e de/dA瓦/平方米(W m-2)名称符号定义式单位单位符号光光谱辐谱辐射通量射通量 de/d瓦/微米W/m 光光谱辐谱辐射通量射通量de/d.瓦/赫/Hz光光谱辐谱辐射出射度射出射度 dMe/d瓦/米2微米W/m2.m光光谱辐谱辐照度照度 de/d瓦/米2微米W/m2.m光光谱辐谱辐射射强强度度 de/d瓦/球面度微米W/sr.m光光谱辐谱辐射亮度射亮度 dL de/d瓦/米2.球面度微米W/m2.sr m三、光谱辐射度量：光谱分布三、光谱辐射度量：光谱分布1.1 辐射度量和光度量名称符号定义单位光通量光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。流明(lm)发光强度光源在给定方向上单位立体角内的所发出的光通量，I=d/d，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e=1/683W sr-1时，规定为1cd。坎德拉(cd)光出射度光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量。M=d/dA流明/平方米(lm m-2)光照度被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量。E=d/dA勒克斯(lx)光亮度L由光源表面定向发射的发光强度。L=d/（dAcos)坎德拉/平方米(cd m-2)光量H光通量对时间的积分。流明秒(lx s)1.1 辐射度量和光度量1.辐射度学辐射度学对对各种各种电磁辐射进电磁辐射进行定量评价行定量评价工具：工具：光接收器件光接收器件结果：结果：与与光能量光能量相关的各种物理量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射评价对象：电磁辐射2.光度学光度学工具：工具：人眼人眼对象：可见光辐射对象：可见光辐射对对可见可见辐射作用于辐射作用于人眼人眼所所引起的引起的“光光”感觉进行定量感觉进行定量评价，是一种生理效应评价，是一种生理效应结果：结果：对对人眼刺激人眼刺激大小的各种物理量大小的各种物理量用下标用下标(e)无（无（e）下标或用下标）下标或用下标(v)辐射度学和光度学物理量的定义比较光度学基本物理量光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光光谱谱灵敏度灵敏度K 及及 视见视见函数函数V相同相同波长（波长（）不同）不同产生对人产生对人眼不同的眼不同的刺激程度刺激程度人眼对光人眼对光的感受是的感受是光波长的光波长的函数函数单位时间内发射、传播单位时间内发射、传播或接收的光谱光量或接收的光谱光量(人眼人眼)单位时间内发射、传单位时间内发射、传播或接收的光量播或接收的光量(人眼人眼)K 光谱灵敏度光谱灵敏度(lm/W(lm/W)(1)(1)光谱灵敏度光谱灵敏度光通量光通量(lm流明流明)定义定义:视见函数视见函数明视明视0.55m 10.380.7明视明视暗视暗视0.55m0.507 m Km=683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱不同波长的光谱灵敏度，如图所灵敏度，如图所示示（P24）C(2)(2)视见函数视见函数（二）光度学量（二）光度学量A1A2A1A2辐辐射通量射通量单位时间内单位时间内发射发射、传播传播或或接收接收的辐射能量。的辐射能量。复色复色光时光时-单位时间内单位时间内发射发射、传传播播或或接收接收的光量。的光量。复色复色光时光时1、光通量光通量A lm(流明流明）W（瓦特）（瓦特）-点光源点光源在某一方向上，在某一方向上，单单位位立体角立体角 内发出的辐射通量。内发出的辐射通量。-点光源点光源在某一方向上，在某一方向上，单单位位立体角内的立体角内的光通量。光通量。2、发发光光强强度度单单位位：辐辐射射强强度度单单位位：（cd 坎德拉）坎德拉）d-面元面元dSdS在在方向方向dd体体积角内的的光通量积角内的的光通量ddv v 除立除立体角的大小体角的大小d d 和此面元在和此面元在观测方向上的表观面积观测方向上的表观面积cos(dS)cos(dS)。3、光亮度光亮度单单位：位：辐辐射亮度射亮度-面元面元dSdS在在方向方向dd体积体积角内的的辐通量角内的的辐通量dde e 除立体除立体角的大小角的大小d d 和此面元在观和此面元在观测方向上的表观面积测方向上的表观面积cos(dS)cos(dS)。N N2 22 24、光、光出射度出射度-光源单位时间由单位表光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所面积辐射出的光量（包括所有方向）有方向），或者说单位辐射，或者说单位辐射面发出的光通量。面发出的光通量。dA1dA2单位：单位：lm/m2辐辐射出射度射出射度-光源单位时间由单位光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包表面积辐射出的电磁能（包括所有方向）括所有方向），或者说单，或者说单位辐射面发出的辐通量。位辐射面发出的辐通量。单位：单位：W/m2-受照面上单位时间单位受照面上单位时间单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光通量。表面积接受的光通量。5、（、（光）照度光）照度单位：单位：lm/m2dA1dA2-受照面上单位时间单位受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。位表面积接受的辐通量。辐辐照度照度单位：单位：W/m2(lx 勒克斯）勒克斯）其它基本概念其它基本概念1.点源点源dAdA某面元上的照度与面元到光源某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比的距离的平方成反比-平方反平方反比定律比定律同时也与面源的方向有关同时也与面源的方向有关I Ir对于沿各方对于沿各方向匀均辐射向匀均辐射的点源的点源点源对面的（光）照度点源对面的（光）照度-（与强度的关系）（与强度的关系）光源光源 S总光通量总光通量为：为：2.扩展源扩展源-有一定面积的辐射源有一定面积的辐射源朗伯源朗伯源或称为或称为余弦辐射体余弦辐射体向空间各个方向的辐射向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩亮度相同，理想化的扩展源展源发光强度发光强度I 与方向角与方向角满满足余足余弦定律的弦定律的发发光体。光体。大部分发大部分发光体都有此性质光体都有此性质 SII0余弦定律余弦定律常数常数根据辐射出射度的定义根据辐射出射度的定义根据亮度根据亮度的定义的定义dSdAdA可证：3.漫反射面漫反射面-把入射光向各个方向把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面均匀的散射的各种表面设某一漫反射面设某一漫反射面dSdS所受的光照度为所受的光照度为E E，则此面接收到的光通，则此面接收到的光通量为：量为：设此反射面的反射系数为设此反射面的反射系数为K K，则它反射的光通量为：，则它反射的光通量为：朗伯辐朗伯辐射体射体不透明不透明漫反漫反射体射体透明漫反射体透明漫反射体亮度减半亮度减半4.定向辐射体定向辐射体-光线的发射方向比较集中光线的发射方向比较集中如：激光器如：激光器太阳的辐射亮度只有太阳的辐射亮度只有3*103*108 8W/(sr.mW/(sr.m2 2)1.2 半导体物理基础半导体物理基础电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。一、半导体的特性一、半导体的特性q半导体特性n电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。n导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。n半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生显著的变化。q常见半导体材料有：n元素元素半导体：硅、锗、硒n化合物化合物半导体：GaAs、铝砷化镓、InSb,CdS,PbSn氧化亚铜的氧化亚铜的氧化物：砷化镓磷化镓固熔半导体n有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体q半导体器件:利用半导体的特殊电学特性制成的器件二、能带理论1.2 半导体物理基础半导体物理基础n原子中电子的能级q原子由带正电的原子核与一些带负电的电子组成q电子绕核运动，具有完全确定的能量q能级能级：电子运动的每一量子态所具有的确定能量称为能级。q原子中的电子没有完全确定的轨道q泡利不相容原理：n在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子晶体中电子的能带q晶体：晶体：原子（粒子）以一定的周期重复排列所构成的物体q晶体中电子的共有化：晶体中电子的共有化：原子之间距离很近，致使离原子核较远的电子轨道发生交叠，使电子不再属于某个原子，有可能转移到相邻原子及更远的原子壳层上去，成为整个晶体所共有q电子只能在能量相同的量子态之间转移qN个原子排列成晶体时，原来分属于N个原子的相同能级必须对应分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级q能带能带：与此相对应的能量密集的能级称为能带。二、能带理论1.2 半导体物理基础能级能级3s2p允带允带禁带禁带允带允带允带允带禁带禁带原子的能限和结晶格中的能带之比较图1.1.1-3导体内的能带半导体内半导体内的能带的能带外加电场时，非满带形成电流；而严格满带不产生电流。外加电场时，非满带形成电流；而严格满带不产生电流。半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满。半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满。二、能带理论物质的导电性：物质的导电性：价价带带导导带带禁带禁带价带中的空穴价带中的空穴导带中的电子导带中的电子n3.半导体的导电机制q电流：电场作用电子的定向运动q导电条件:n1)向电子提供能量;n2)电子要跃入的能级是空的q价带中的电子离开所留空位称为空穴q电子电子和空穴空穴统称为载流子q外加电场时，非满带载流子在无规则热运动中迭加了定向运动，形成电流；而满带不产生电流。q导带中电子越多，导电能力越强；价带中空穴越多，导电能力越强为什么半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满，导带的电子及价带为什么半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满，导带的电子及价带的空穴如何产生：分两种情况讨论（本征半导体和杂质半导体）。的空穴如何产生：分两种情况讨论（本征半导体和杂质半导体）。n3.半导体的导电机制q本征半导体n完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体n本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带n本征半导体的载流子只能依靠本征激发产生n导带电子和价带空穴相等二、能带理论1.2 半导体物理基础价带价带导带导带禁带禁带低低温温下下价带价带导带导带禁带禁带本征激发（热或者光等外界因素）本征激发（热或者光等外界因素）常常温温下下不不导导电电弱弱导导电电性性3.半导体的导电机构q杂质半导体：q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（晶体的缺陷也有类似效果）。q杂质能级能级和晶体中其它能级不同，可处于晶体能带间的禁带中（对导电性影响巨大）qN型半导体：主要由电子导电（此时电子又称为多子）n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，电子为多数载流子n通常，施主能级离导带底较近，导带中电子多于价带中空穴qP型半导体：主要由空穴导电（此时空穴被称为多子）n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，空穴为少数载流子n受主能级离价带顶较近，价带中空穴多于导带中电子1.2 半导体物理基础价带价带导带导带禁带禁带施主施主能级能级本征激发本征激发+杂质激发杂质激发价带价带导带导带禁带禁带杂质能级杂质能级低低温温下下常常温温下下处于共价键之外处于共价键之外N型半导体价带价带导带导带杂质能级杂质能级P型半导体B低低温温下下受主受主能级能级价带价带导带导带杂质激发杂质激发+本征激发本征激发三、热平衡载流子n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。载流子的激发和复合（电子找到空穴相互抵消）两种过程处于热平衡状态，载流子浓度为某一稳定值。1.2 半导体物理基础本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子价带价带导带导带禁带禁带本征激发本征激发开始时：激发开始时：激发复合复合复复合合一段时间后：激发一段时间后：激发=复合复合（载流子浓度增大）（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）（载流子浓度稳定）热平衡状态热平衡状态设由低温到高温的过程设由低温到高温的过程三、热平衡载流子n根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律，能量为E的能态被电子占据的概率f(E)由费米-狄拉克函数给出，即n导带电子浓度n和价带空穴浓度pf(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度EF：费米能级（一般认为：低于费米能级处满带）1.2 半导体物理基础N_：导带的有效能级密度N+：价带的有效能级密度E_：导带底E+：价带顶n本征半导体中，电子和空穴浓度相等，即n=p,本征载流子浓度为一恒定值式中Eg=E_-E+为禁带宽度，说明热平衡时两种载流子浓度的乘积等于一个常数（杂质半导体中乘积满足相同常数）。n本征半导体费米能级（基本位于禁带中央）1.2 半导体物理基础三、热平衡载流子n杂质半导体费米能级qN型位于施主能级和导带底的正中间（近似填满）qP型位于受主能级和价带底的正中间（近似空带）q温度升高时逐渐向本征费米能级靠近（杂质对低温导电影响大）n热平衡态下，半导体内部电子和空穴的产生率和复合率相等，系统保持相对平衡状态n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。n非热平衡时导带和价带中电子和空穴的浓度为qn=n0+nqp=p0+pn保持外界条件不变，系统将逐渐达到新的平衡状态，载流子浓度增加。撤掉外界条件，系统又将恢复原来的平衡状态四、非平衡载流子1.2 半导体物理基础四、非平衡载流子1.描述复合的参数描述复合的参数-寿命寿命q使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生q使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合q复合率：=n/(或p/)q非平衡载流子寿命（P32）n它表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢n非平衡载流子的衰减随时间的变化关系n它决定了光电器件的时间特性n非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间1.2 半导体物理基础四、非平衡载流子2.非平衡载流子的复合方式（非平衡载流子的复合方式（P33图图2-13）q直接复合直接复合：n导带中电子直接跳到价带，与价带中空穴复合。q间接复合间接复合：通过复合中心复合n复合中心指禁带中杂质（深能级杂志）及缺陷n间接复合：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；。q体内复合与表面复合体内复合与表面复合：n材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷缺陷与损伤，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。1.2 半导体物理基础价带价带导带导带价带价带导带导带杂质除了改变载流子，提供复合中心，还可以充当陷阱，杂质除了改变载流子，提供复合中心，还可以充当陷阱，积累载流子（形式上与施主、受主作用相反）。积累载流子（形式上与施主、受主作用相反）。3.陷阱效应陷阱效应n半导体内杂质上的电子数会因某种原因增加或减少,形成累积非累积非平衡载流子平衡载流子的作用就叫陷阱作用n所有杂质均有一定一定的陷阱作用，但有显著陷阱作用的杂质能级称为陷阱n显著陷阱作用的条件q俘获电子和空穴的能力差别大（称作电子陷阱或空穴陷阱）q陷阱对少子作用更明显（宽禁带、低温），对于多数载流子，除非陷阱密度较大到可与多子相比拟时，陷阱效应才不能忽略q杂质能级的位置：如对于电子陷阱，杂质能级得在费米能级之上较深的位置（有空位，且热激发尽量弱），即能够尽量与费米能级重合,陷阱效应最显著（空穴陷阱类似也得尽可能与费米能级重合）n陷阱效应影响半导体的性质:寿命,灵敏度等（如少子陷阱，增加了多子的寿命，提高定态光电导灵敏度；多子陷阱，减少多子数目，减弱定态光电导灵敏度。）四、非平衡载流子1.2 半导体物理基础五、载流子的运动：扩散和漂移1.扩散运动扩散运动:高浓度 低浓度q载流子浓度不均匀情况下的无规则热运动的结果q扩散流与浓度梯度成正比2.漂移运动漂移运动:外电场驱使q载流子在电场的加速作用下，除热运动之外获得的附加运动q忽略扩散，漂移+散射平均漂移速度:3.混合运动混合运动:扩散+漂移q扩散系数与迁移率关系（适用平衡及非平衡情况，一般情况漂移电流多子贡献，扩散电流少子贡献）1.2 半导体物理基础1.本征吸收本征吸收(吸收系数吸收系数105，发生在微米量级的表面，发生在微米量级的表面层内，表面状态影响大层内，表面状态影响大)q光子作用使电子由价带跃迁到导带q入射光子能量大于禁带宽度时(hEg)才能发生本征吸收q长波限0：0=ch/Eg=1.24/Eg(m)2.杂质吸收杂质吸收q杂质能级中的电子与空穴吸收光子后跃迁q杂质电子吸收光子，会从杂质能级跃迁到导带；价带电子吸收光子，会从价带能级跃入杂质能级q长波限0：0=ch/Ei=1.24/Ei(m)q出现在本征吸收限外的长波区六、半导体对光的吸收1.2 半导体物理基础3.自由载流子吸收自由载流子吸收q自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁q吸收系数与波长的关系（吸收光谱）：q光子牵引效应（外加动量的传递，光生伏特效应）4.激子吸收激子吸收q吸收光子形成可动的电子-空穴对(激子)，整体自由运动、电中性q激子能量小于电子，能级处于禁带中（长波限的长波侧形成尖锐的吸收线）5.晶格吸收晶格吸收q光子直接转变成晶格原子的振动q晶格原子振动能量的变化为h的整数倍（光谱范围与晶格振动频率在一个数量级）1.2 半导体物理基础七、PN结及金属与半导体的接触半导体:P型、N型、本征型(i型)合而成结（过渡区）：Pi结、Ni结、PN结.结原理结原理q对半导体分别掺P型和N型杂质,形成从P型区到N型区之间的过渡区称为PN结q扩散形成内建电场(微米量级，强电场)q热平衡下的PN结n内建电势n正向导电性n平衡过程将两个费米能级拉平（两种理解：经典扩散理论或量子论化学势角度）1.2 半导体物理基础势垒形成及外场作用 p-np-n结结单单向向导导电电的的原原因因在在于于：由由于于结结区区中中载载流流子子浓浓度度很很低低，是是高高阻阻区区，如如果果加加上上正正向向偏偏压压V V，V V使使P P区区电电势势升升高高，则则势势垒垒降降低低，电电子子不不断断从从n n区区向向P P区区扩扩散散，空空穴穴也也不不断断从从p p区区向向n n区区扩扩散散，由由于于是是多多子子运运动动，所所以以随随外外加加电电压压的的增增加加。扩扩散散电电流流显显著著增增加加；反反之之施施加加反反向向偏偏压压-V-V时时，外外加加电电场场与与自自建建电电场场一一致致，使使势势垒垒升升高高，由由于于是是少少子子运运动动，所所以以反反向向电电流流很很小小，且且不不随随反反向向电电场的增大而增加。场的增大而增加。q非平衡态下的PN结n电子、空穴浓度积：n准费米能级n平衡时，V=0，nPN结加正向电压（或光照）时，V0，增加的载流子形成正向电流（势垒VD降为VD-V）nPN结加反向电压时，V0，减少的载流子形成反向电流（提高势垒，易饱和）qPN结伏安特性公式（纯扩散扩散）1.2 半导体物理基础指数关系七、PN结及金属与半导体的接触2.半导体异质结半导体异质结q禁带宽度不同的两种不同质半导体材料接触而组成的结n两种不同的半导体材料构成的结n金属、绝缘体与半导体构成的结qAnderson假设n晶格完全匹配：晶格结构、晶格常数、热膨胀系数相同n具有不同的禁带宽度、介电常数、功函数（费米能级到真空能级差）、电子亲和能（导带到真空能级差）q异质结能带结构n晶格失配系数1%n内建电场为两种材料两个内建电场电压之和q异质结的电流-电压特性：指数规律指数规律1.2 半导体物理基础阻止电子扩散的势垒远比阻止空穴的势垒小（空穴扩散忽略，仅考虑正反向电子电流，且有V1V2）七、PN结及金属与半导体的接触3.肖特基势垒肖特基势垒q金属与半导体接触界面耗尽层耗尽层势垒q阻挡接触（理解右图）n金属与N型(a):耗尽层n金属与P型(b):空穴势垒n加正向偏压(c)(d)n加反向偏压(e)(f)q电流-电压关系n电流是多数载流子越过势垒的热离子发射产生的1.2 半导体物理基础n与PN结完全类似的指数关系（正向偏置：使势垒降低，注意金属端的极性）NP注意：输运实验中要避免肖特基接触！肖特基接触！4.注入接触（注入接触（I-V超线性关系）与超线性关系）与欧姆接触（线性关系）欧姆接触（线性关系）q金属与N型半导体的接触(a)n金属的费米能级高于半导体n电子由金属注入半导体,构成负空间电荷区q金属与P型半导体的接触(b)n半导体的费米能级高于金属n电子由半导体注入金属,构成正空间电荷区q注入接触:空间电荷区q欧姆接触:金属与半导体逸出功相同,无电荷转移1.2 半导体物理基础1.3 光电效应光电效应n光电效应：因光照而引起物体电学特性改变的现象q发射电子、导电率变化、产生光电动势n外光电效应（金属及金属氧化物）:光电管、光电倍增管受光照后向外发射电子的现象n内光电效应（半导体及绝缘体）q光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部q光电导效应:光照后载流子显著增加而电阻减小q光生伏特效应:光照时在半导体两侧产生光电动势n硫化物、氧化物、卤化物q光照时电阻减少n本征光电导q光照使电子获得足够能量越过禁带而跃入导带，产生大量光生载流子参与导电q长波阀值：0=1.44/Egn杂质光电导qP、N型半导体q杂质光电导比本征光电导微弱（杂质原子少）n描述参数：q1.灵敏度q2.弛豫时间q3.光谱分布一、光电导效应一、光电导效应1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应一、光电导效应一、光电导效应1.光电导体的灵敏度光电导体的灵敏度q给定条件下,单位照度所引起的光电流n用光电增益G表示：n，电场强度n，迁移率：载流子在单位电场作用下的漂移速度nl,光电导体两极间距nU，外加电源电压q与非平衡载流子寿命、迁移率成正比,与电极间距平方成反比q若电子空穴都参与导电n，量了产额(量子效率)：吸收一个光子所产生的电子空穴对数n，光生载流子寿命ntL，载流子在光电导两极间的渡越时间一、光电导效应一、光电导效应2.光电导的弛豫（光生载流子的光电导的弛豫（光生载流子的产生与复合不是瞬时完成）产生与复合不是瞬时完成）q光照后光电导重新达到稳光照后光电导重新达到稳态所需时间态所需时间n弛豫时间长，惯性大；弛豫时间弛豫时间长，惯性大；弛豫时间短，则惯性小短，则惯性小n光生载流子浓度（与光电导增量光生载流子浓度（与光电导增量成正比）与光强的关系：成正比）与光强的关系：q直线性光电导（定态直线性光电导（定态 ）n定态情形（光持续稳定或持续没有，即平衡态，此时复合率等于产生率）：n非定态情形（1）：刚开始光照时n非定态情形（2）：刚结束光照：1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应q抛物线性光电导（定态抛物线性光电导（定态 ）n假设：复合率与光生载流子密度的平方成正比，即=b(n)(n)n定态条件：n光生载流子密度及电导率增量与光强平方根近似成正比；n光电流随时间按双曲线性规律下降q光强越高，抛物线性光电导的弛豫时间越短q惯性小惯性小（弛豫时间小），定态灵敏度低灵敏度低；定态灵敏度高，惯性大1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应考虑非定态情形：一、光电导效应一、光电导效应3.光电导的光谱分布：光电导的光谱分布：q光电导的大小与照射光的波长有关q本征光电导的光谱分布n不同的半导体材料有不同的光谱响应曲线n光谱分布有一长波限（曲线峰值左右不对称的解释P46）q杂质光电导的光谱分布n杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长（电离能小）n杂质光电导效应微弱（杂质少）n杂质光电导的测量是研究杂质能级的重要方法（低温条件下）1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应二、光生伏特效应二、光生伏特效应n光照使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n内建电场(势垒效应)qPN结、异质结、肖特基势垒都存在内建电场q光照时接触界面起了电池作用q结上光电压与光电流关系1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应a)无光照时，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。b)稳定光照下P-N结开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。c)稳定光照下P-N结短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后形成短路电流。d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流流经外电路，势垒高度为q(UD-Uf)。n体积光生伏特效应（第二类光生伏特效应）q丹倍效应丹倍效应:由于光生载流子的扩散速度（跟有效质量成反比）的不同而导致在光的传播方向上产生电位差的现象q表面至内部的载流子浓度梯度q丹倍电压或扩散电压（通常较低）q丹倍电压与载流子迁移率之差成正比，小信号时还与光强成正比：q输出功率低：未照部分电阻高，压降高（P49）q光磁电效应光磁电效应（跟扩散和迁移率有关）：相当大光强度范围内，开路电压与光强度成正比n光子牵引效应：光子与自由载流子作用，速度快（无复合问题10-10s），但效率低（kW级输入mV级输出）1905年德国物理学家爱年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获释了光电发射效应，获得得1921年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。奖。三、光电发射效应三、光电发射效应n光照时光敏物质中电子能逸出表面过程（激发传输逸出表面）（1）电子吸收光子以后产生激发，即得到能量（吸收系数尽量大）；（2）得到光子能量的电子（受激电子，又称热电子）从发射体内向真空界面运动（电子传输过程，传输距离用逸出深度表示）；（3）这种受激电子越过表面势垒向真空逸出（到达表面电子能量大于逸出功）。三、光电发射效应三、光电发射效应n光电发射过程光电发射过程：q激发激发传输传输逸出表面逸出表面n金属的光电发射金属的光电发射q电子逸出功：电子逸出功：T=0K时真空能级与时真空能级与EF之差之差n半导体的光电发射半导体的光电发射q电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）与导带底能级Ec之差。q负电子亲和势（NEA，Negative Electron Affinity）：是指体内的有效电子亲和势，而不是指表面电子亲和势。1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应三、光电发射效应三、光电发射效应n外光电效应的几个规律q光电发射第一定律第一定律第一定律第一定律-斯托列托夫定律n频谱成分不变时，光电发射电流与被阴极所吸收的光通量成正比频谱成分不变时，光电发射电流与被阴极所吸收的光通量成正比nIk=SkFk （Sk：光电器件的灵敏度）：光电器件的灵敏度）q光电发射第二定律第二定律第二定律第二定律-爱因斯坦定律n发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，与发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，与入射光强（光子数目多少）无关入射光强（光子数目多少）无关q光电发射的红限n使电子能逸出的入射光的最长波长使电子能逸出的入射光的最长波长n波长红限波长红限1.3 1.3 光电效应光电效应光电效应光电效应380nm3.2ev780nm1.6ev光电发射的瞬时性（高频响，无惯性）：光电发射的瞬时性（高频响，无惯性）：光电发射的延迟时间不超过310-13s的数量级。光电发射具有表面和体积效应。光电发射具有表面和体积效应。1辐射度量、光谱辐射度量、光度量定义的差别？重点掌握光度量的定义，包括其单位等。以光度量为例，弄清出射度、照度、亮度的区别。2朗伯辐射体（又名均匀漫反射体）其辐射满足余弦定律，能够证明其亮度与空间角度无关，且出射度在数值上是亮度的pi倍。3视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光强和颜色分辨有何不同，明暗视觉各与哪种细胞的视觉功能相对应？4非平衡载流子的复合方式？一般什么东西可以充当复合中心？5若陷阱密度低于多子密度，此时陷阱效应对少子明显，为什么？且若材料本身禁带宽度很宽并处于低温下，此时少子陷阱作用更加显著，为什么？6简述杂质能级的位置影响陷阱效应。另陷阱效应对定态光电导灵敏度有何影响？7理解pn结的形成（如相关概念：扩散、漂移、耗尽层等）。解释其单向导电性。8分别就n型半导体-金属组合及p型半导体-金属组合，说明什么情况下会产生肖特基势垒？理想的欧姆接触要求半导体-金属满足什么条件？9能够推导电子、空穴均参与导电情况下，光电器件的增益的表达式。10理解直线型、抛物线型光电导上升、下降曲线（对照公式、横坐标及纵坐标）？能够解释光电导器件在实际使用时，灵敏度和高频响应这两指标二者不可得兼。11理解几种光生伏特效应，并知道、理解其各自的特点（如光子牵引效应的响应速度很快）。12利用能带、费米能级，画图并解释势垒效应产生的光生伏特效应（分四种情况：无光照、光照空载、光照短路及光照接负载）。13光电发射效应属于外光电效应，具有瞬时性及响应光波长具有红限等特征。从光电阴极材料选择的角度出发，如何提高光电发射效应的效率？本章重点：作业作业new1-5.当E-EF分别为1.5kT、4kT、10kT时用费米分布函数计算电子占据各能级的几率。1-6.已知某金属光电子发射体的逸出功W=5eV，波长=10m的中红外辐射光入射到该金属光电子发射体上，试问在这种情况下能否产生光电子发射？为什么？1-7.视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光强和颜色分辨有何不同，明暗视觉各与哪种细胞的视觉功能相对应？1-8.利用能带、费米能级，画图并解释势垒效应产生的光生伏特效应（分四种情况：无光照、光照空载、光照短路及光照接负载）。1-9.光电发射效应属于外光电效应，具有瞬时性及响应光波长具有红限等特征。从光电阴极材料选择的角度出发，如何提高光电发射效应的效率？1-1光有哪些基本特性？可见光的波长、频率和光子的能量范围是多少？1-2一块半导体样品，有光照时电阻为50，无光照时电阻为5000，求该样品的光电导。1-3一支He-Ne激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角为1mrad，激光器的放电毛细管直径为1mm。1）求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。2）若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。1-4应用能带理论简要说明半导体的导电机理。