探测器的基本原理精选课件.ppt

关于探测器的基本原理第一页，本课件共有112页简介简介光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理效应的器件。探测器分类：度量物理效应的器件。探测器分类：光电探测器光电探测器真空光电器件：真空光电器件：光电管、光电倍增管、真空摄像管、变像管、象增强器。固体光电器件固体光电器件：光敏电阻、光电池等等 热探测器热探测器：热电偶热电堆、热释电探测器热电偶热电堆、热释电探测器等等等等第二页，本课件共有112页3.1 3.1 半导体基础半导体基础第三页，本课件共有112页回忆回忆.导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体 金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。第四页，本课件共有112页一、半导体的结构一、半导体的结构 电子器件所用的半导体具有晶体结构，电子器件所用的半导体具有晶体结构，大多数是晶体材料。大多数是晶体材料。晶体分为晶体分为单晶单晶和和多晶多晶。单晶：单晶：在一块材料中原子全部按照有规则的周在一块材料中原子全部按照有规则的周期性排列，这种晶体成为单晶。期性排列，这种晶体成为单晶。多晶：多晶：只在很小范围内原子有规则的排列，形只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开，这种材料称为多晶。界隔开，这种材料称为多晶。第五页，本课件共有112页1 1、电子的共有化运动、电子的共有化运动 在孤立原子中电子遵守在孤立原子中电子遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能能量最低原理。量最低原理。泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中同一能级的核外电子轨原子中同一能级的核外电子轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是层中可能容纳轨道数是n n2 2个、每层最多容纳电个、每层最多容纳电子数是子数是2n2n2 2 。能量最低原理：能量最低原理：核外电子总是先占有能量最低的核外电子总是先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才依轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。次进入能量较高的轨道。第六页，本课件共有112页在半导体中，原子之间距离很近，使原子在半导体中，原子之间距离很近，使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。以的各个壳层之间有不同程度的交叠。以硅和锗的共价键结构为例：硅和锗的共价键结构为例：第七页，本课件共有112页电子共有化运动的过程壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻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，这样原子有可能在原子运动到更远的原子壳层上去，这样原子有可能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为电子的整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为电子的共有化运动共有化运动。共有化运动只能共有化运动只能在原子中相似的在原子中相似的壳层间进行壳层间进行第八页，本课件共有112页2 2、能带结构、能带结构(energy band)(energy band)量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原原子，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来孤立原子的每一个能级,变成了变成了N N条靠得很条靠得很近的能级近的能级,称为能带。称为能带。第九页，本课件共有112页能带的宽度记作能带的宽度记作 E，数量级，数量级为为 EeV。若若N1023,则能带中两能级的则能带中两能级的间距约间距约10-23eV。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。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。第十页，本课件共有112页离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图第十一页，本课件共有112页原子能级分裂成能带的示意图第十二页，本课件共有112页1.1.满带满带：能带中各能级都被电子填满。：能带中各能级都被电子填满。满带中的电子不能起导电作用满带中的电子不能起导电作用 晶体加外电场时，电子只能在带内不同能晶体加外电场时，电子只能在带内不同能级间交换，不能改变电子在能带中的总体级间交换，不能改变电子在能带中的总体分布。分布。满带中的电子由原占据的能级向带内任一满带中的电子由原占据的能级向带内任一能级转移时，必有电子沿相反方向转换，能级转移时，必有电子沿相反方向转换，因此，不会产生定向电流，不能起导电作因此，不会产生定向电流，不能起导电作用。用。第十三页，本课件共有112页2.2.空带空带：所有能级均未被电子填充的能带。所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；况下空着；当有激发因素当有激发因素(热激发、光激发热激发、光激发)时，价时，价带中的电子可被激发进入空带；带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。成电流。所以，空带也是导带。第十四页，本课件共有112页3.3.导带导带：被电子部分填充的能带。被电子部分填充的能带。在外电场作用下，电子可向带内未被填在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，因而可形成电流。充的高能级转移，因而可形成电流。价带价带：价电子能级分裂后形成的能带。价电子能级分裂后形成的能带。有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能是满带。有的晶体的价带也可能是满带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。第十五页，本课件共有112页4.4.禁带禁带：在能带之间的能量间隙区，电子：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。不能填充。禁带的宽度对晶体的禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。导电性有重要的作用。若上下能带重叠，其若上下能带重叠，其间禁带就不存在。间禁带就不存在。满带满带 空带空带 禁带禁带E第十六页，本课件共有112页允带：允带：允许被电子占据的能带称为允带。允许被电子占据的能带称为允带。禁带：禁带：允带之间的范围是不允许电子占据的，这允带之间的范围是不允许电子占据的，这个范围称为禁带。个范围称为禁带。满带：满带：被电子占满的允带称为满带。满带不导电。被电子占满的允带称为满带。满带不导电。价带：价带：晶体最外层电子壳层分裂成的能带。晶体最外层电子壳层分裂成的能带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。第十七页，本课件共有112页 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。接近绝缘体。（1）本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称称为为“九个九个9”。第十八页，本课件共有112页 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。第十九页，本课件共有112页 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激发在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓态平衡。电子空穴对的浓度一定。度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：锗：锗：自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对第二十页，本课件共有112页自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制第二十一页，本课件共有112页导带：导带：比价带能量更高的允许带称为导带。比价带能量更高的允许带称为导带。导带中的电子称为导带中的电子称为自由电子自由电子。价带中出现电子的空穴称为价带中出现电子的空穴称为自由空穴自由空穴。自由电子和自由空穴统称为自由电子和自由空穴统称为载流子载流子。禁带宽度小者，电子容易跃迁到导带，所禁带宽度小者，电子容易跃迁到导带，所以导电性能高。以导电性能高。锗的禁带宽度比硅的小，所以其导电性随锗的禁带宽度比硅的小，所以其导电性随温度变化比硅更显著。温度变化比硅更显著。第二十二页，本课件共有112页(2).杂质半导体杂质半导体.N 型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、G等，掺入少量五价的杂质等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如）元素（如P、As 等）形成电子型半导等）形成电子型半导体体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处带中紧靠导带处,ED10-2eV，极易形成电子导电。，极易形成电子导电。该能级称为施主（该能级称为施主（donor）能级。）能级。第二十三页，本课件共有112页 n 型半导体型半导体 在在n 型半导体中：型半导体中：电子电子多数载流子多数载流子导带导带价带价带施主能级施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少数载流子少数载流子第二十四页，本课件共有112页 施主施主(donor)(donor)能级能级：这种杂质能级因靠这种杂质能级因靠近导带，杂质价电子极易向导带跃迁。因近导带，杂质价电子极易向导带跃迁。因向导带供应自由电子，所以这种杂质能级向导带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。称施主能级。因搀杂因搀杂(即使很少即使很少)，会使导带中自由电，会使导带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。半导体的导电性能。其导电机制：杂质中多余电子经激发后其导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到导带而形成的。跃迁到导带而形成的。第二十五页，本课件共有112页2.型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、Ge 等，掺入少量三价的杂等，掺入少量三价的杂质元素（如等）形成空穴型半导体，称质元素（如等）形成空穴型半导体，称 p 型半导型半导体。体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠价带处，禁带中紧靠价带处，ED10-2eV，极易产生空穴，极易产生空穴导电。导电。该能级称受主（该能级称受主（acceptor）能级。）能级。第二十六页，本课件共有112页导带导带DEa价带价带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg在在p型半导体中：型半导体中：空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子第二十七页，本课件共有112页这种杂质的能级紧靠价带顶处，这种杂质的能级紧靠价带顶处，E EA10A10-1-1eVeV，价带中的电子极易跃入此杂质能级，使价带价带中的电子极易跃入此杂质能级，使价带中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称受主受主(acceptor)(acceptor)能级能级。这种搀杂使价带中的空穴的浓度较纯净半导这种搀杂使价带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。这种杂质半导体称空穴体的导电性能增强。这种杂质半导体称空穴型半导体，或型半导体，或p p型半导体。型半导体。导电机制：主要是由价带中空穴的运动形成导电机制：主要是由价带中空穴的运动形成的。的。第二十八页，本课件共有112页杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关第二十九页，本课件共有112页二、热平衡条件下的载流子的浓度二、热平衡条件下的载流子的浓度载流子浓度：载流子浓度：是指单位体积内的载流子数。是指单位体积内的载流子数。激发：激发：电子从不断热振动的晶体中获得一定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。时在价带中出现自由空穴。复合：复合：在热激发的同时也有电子从导带跃迁到在热激发的同时也有电子从导带跃迁到价带并向晶格放出能量，这就是电子空穴的价带并向晶格放出能量，这就是电子空穴的复合。复合。在一定温度下激发和复合形成平衡，我们在一定温度下激发和复合形成平衡，我们称为称为热平衡热平衡。第三十页，本课件共有112页1 1、能级密度、能级密度 指在导带和价带内单位体积，单位能量能级数目，指在导带和价带内单位体积，单位能量能级数目，用用N(E)N(E)表示。表示。导带内的能级密度：导带内的能级密度：价带内的能级密度：价带内的能级密度：N(E)N(E)为在电子能量为在电子能量E E处的能级密度。处的能级密度。h h为普朗克常数。为普朗克常数。第三十一页，本课件共有112页2 2、费米能级电子占据率、费米能级电子占据率电子遵循费米电子遵循费米-狄拉克（狄拉克（Fermi-DiracFermi-Dirac）统计分布统计分布规律。能量为规律。能量为E E的一个独立的电子态被一个电的一个独立的电子态被一个电子占据的几率为子占据的几率为 第三十二页，本课件共有112页 E EF F称为费米能级或费米能量，它和温称为费米能级或费米能量，它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。以及能量零点的选取有关。E EF F是一个很重是一个很重要的物理参数，只要知道了要的物理参数，只要知道了E EF F的数值，在的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定。布就完全确定。第三十三页，本课件共有112页费米分布函数的特性费米分布函数的特性 当当T=0K T=0K 时：时：若若EEEE EF F,则则f(E)=0f(E)=0 即在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态即在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态 被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上都有电子；而能量比都有电子；而能量比EFEF大的量子态，被电子占据的大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。故在绝对零度时，费米能级故在绝对零度时，费米能级EFEF可看成量子态是否被电可看成量子态是否被电子占据的一个界限。子占据的一个界限。第三十四页，本课件共有112页当当T0KT0K时：时：若若EEE1/2f(E)1/2若若E=EE=EF F,则则f(E)=1/2f(E)=1/2若若EEEEF F,则则f(E)1/2f(E)1/2上述结果说明：上述结果说明：当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。而当量子态的能被电子占据的几率小于百分之五十。而当量子态的能量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的几率是量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的几率是百分之五十。百分之五十。第三十五页，本课件共有112页E EF F的意义的意义:E EF F的位置比较直观地反映了电子占的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。即标志了电子填充能据电子态的情况。即标志了电子填充能级的水平。级的水平。E EF F越高，说明有较多的能量较越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据。高的电子态上有电子占据。第三十六页，本课件共有112页 在强在强p p型中，导带中电子最少，价带中电子也最型中，导带中电子最少，价带中电子也最少，所以可以说，强少，所以可以说，强p p型半导体中，电子填充能带型半导体中，电子填充能带的水平最低，的水平最低，E EF F也最低。弱也最低。弱p p型中，导带和价带电型中，导带和价带电子稍多，能带被电子填充的水平也稍高，所以子稍多，能带被电子填充的水平也稍高，所以E EF F也升高了。无掺杂，导带和价带中载流子数一样也升高了。无掺杂，导带和价带中载流子数一样多，费米能级在禁带中线附近。弱多，费米能级在禁带中线附近。弱n n型，导带及型，导带及价带电子更多了，能带被填充水平也更高，价带电子更多了，能带被填充水平也更高，E EF F升到禁带中线以上，到强升到禁带中线以上，到强n n型，能带被电子填充水型，能带被电子填充水平最高，平最高，E EF F也最高。也最高。EC Ei Ev 强强p型型弱弱p型型本征型本征型强强n型型弱弱n型型第三十七页，本课件共有112页在价带中，知道了电子的占据概率，可求出空穴在价带中，知道了电子的占据概率，可求出空穴的占据概率，也就是不被电子占据的概率：的占据概率，也就是不被电子占据的概率：第三十八页，本课件共有112页在导带中能级为在导带中能级为E E的电子浓度等于的电子浓度等于E E处的能级处的能级密度和可被电子占据的概率的乘积：密度和可被电子占据的概率的乘积：3 3、平衡载流子浓度、平衡载流子浓度在一定温度在一定温度T T下，产生过程与复合过程之间处于下，产生过程与复合过程之间处于动态的平衡，这种状态就叫动态的平衡，这种状态就叫热平衡状态。热平衡状态。处于热平衡状态的载流子处于热平衡状态的载流子n n和和p p称为称为热平衡热平衡载流子载流子。它们保持着一定的数值。它们保持着一定的数值。第三十九页，本课件共有112页 在整个导带中总的电子浓度是在导带在整个导带中总的电子浓度是在导带底底EcEc以上所有能量状态上的积分。积分结果以上所有能量状态上的积分。积分结果为：为：第四十页，本课件共有112页第四十一页，本课件共有112页将将(3)(4)(3)(4)两式相乘得到两式相乘得到:由此得到：由此得到：（1 1）在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数）在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积与费米能级无关乘积与费米能级无关（2 2）禁带宽度）禁带宽度EgEg越小，乘积越大，导电性越好越小，乘积越大，导电性越好（3 3）半导体中的载流子浓度随温度的增大而增大。）半导体中的载流子浓度随温度的增大而增大。第四十二页，本课件共有112页 可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定于温度于温度T T，与所含杂质无关；而在一定温度，与所含杂质无关；而在一定温度下对不同的半导体材料，因禁带宽度不同下对不同的半导体材料，因禁带宽度不同而不同。而不同。这个关系式不论是本征半导体还是杂质这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导体都普通适用，在讨论许多实际问题时常常体都普通适用，在讨论许多实际问题时常常引用。引用。还说明，对一定的半导体材料，在一定还说明，对一定的半导体材料，在一定的温度下，的温度下，npnp的乘积是一定的。换言之，当的乘积是一定的。换言之，当半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘积保持恒定，如果电子浓度增大，空穴浓积保持恒定，如果电子浓度增大，空穴浓度就要减小；反之亦然。度就要减小；反之亦然。第四十三页，本课件共有112页（1）当材料一定时，）当材料一定时，n0、p0随随EF和和T而而变化；变化；（2）当温度）当温度T一定时，一定时，n0p0仅仅与本征仅仅与本征材料相关。材料相关。由下式可知由下式可知第四十四页，本课件共有112页4 4、本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体：本征半导体：满足满足n n0 0=p=p0 0=ni=ni的半导体就是的半导体就是本征半导体。本征半导体。在室温（在室温（RT=300KRT=300K）下：）下：ni ni（GeGe）2.1102.1101313cmcm-3-3 ni ni（SiSi）1.3101.3101010cm-cm-3 3 ni ni（GaAsGaAs）1.1101.1107 7cmcm-3-3 第四十五页，本课件共有112页在热平衡态下，半导体是电中性的：n0=p0第四十六页，本课件共有112页即得到即得到：Carriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconductors第四十七页，本课件共有112页由（由（5 5）式可以见到：）式可以见到：1、温度一定时，Eg大的材料，ni小；2、对同种材料，ni随温度T按指数关系上升。Carriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconductors第四十八页，本课件共有112页5 5、掺杂半导体的载流子浓度：、掺杂半导体的载流子浓度：N N型半导体，施主原子的多余价电子易进型半导体，施主原子的多余价电子易进入导带，使导带中的自由电子数目增多入导带，使导带中的自由电子数目增多高于本征半导体的电子浓度，则分别为：高于本征半导体的电子浓度，则分别为：NdNd为为n n型半导体中掺入的施主原子的浓度型半导体中掺入的施主原子的浓度第四十九页，本课件共有112页N型半导体的费米能级：由上式可见，由上式可见，n n型半导体中的费米能级位于禁带型半导体中的费米能级位于禁带中央以上，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中中央以上，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近导带底。央越远，愈靠近导带底。第五十页，本课件共有112页P P型半导体，受主原子易从价带中获得电子，型半导体，受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由电子浓度将高于本征半导体价带中的自由电子浓度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。设掺入的受主原子的中的自由空穴浓度。设掺入的受主原子的浓度为浓度为NaNa，则，则第五十一页，本课件共有112页P型半导体的费米能级：由上式可见，由上式可见，p p型半导体中的费米能级位于禁型半导体中的费米能级位于禁带中央以下，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带带中央以下，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近价带顶。中央越远，愈靠近价带顶。第五十二页，本课件共有112页三、半导体中的非平衡载流子三、半导体中的非平衡载流子 半导体器件通过外部注入载流子或用光激半导体器件通过外部注入载流子或用光激发方式而使载流子浓度超过热平衡时的浓度，发方式而使载流子浓度超过热平衡时的浓度，这些超出部分的载流子通常称为非平衡载流子这些超出部分的载流子通常称为非平衡载流子或过剩载流子。或过剩载流子。相应的：相应的：n=n0+n n=n0+n p=p0+p p=p0+p 且：且：n=p n=p 非平衡载流子：非平衡载流子：n n 和和p p（过剩载流子）（过剩载流子）第五十三页，本课件共有112页1 1、材料的光吸收、材料的光吸收（1 1）本征吸收）本征吸收 对于本征半导体在一定温度下载流子浓度达到对于本征半导体在一定温度下载流子浓度达到平衡后，再受光照时，价带中的电子吸收光子能平衡后，再受光照时，价带中的电子吸收光子能量而迁移到导带，在价带中留下空穴，这时电子量而迁移到导带，在价带中留下空穴，这时电子空穴的浓度都增大，则这个过程我们称为本征空穴的浓度都增大，则这个过程我们称为本征吸收。吸收。要发生本征吸收，光子能量必须大于材料禁带宽度，要发生本征吸收，光子能量必须大于材料禁带宽度，因此在长波方向存在一个界限：因此在长波方向存在一个界限：第五十四页，本课件共有112页（2 2）杂质吸收）杂质吸收 掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁导带。同样中性受主的束缚空穴可以吸收光子而跃迁导带。同样中性受主的束缚空穴也可以吸收光子而跃迁到导带，这种吸收为杂质吸收。也可以吸收光子而跃迁到导带，这种吸收为杂质吸收。施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到价施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为电离能。杂质吸收光的长波限：带所需的能量称为电离能。杂质吸收光的长波限：第五十五页，本课件共有112页（3 3）其他吸收）其他吸收其他还有自由载流子吸收，晶格吸收等，其他还有自由载流子吸收，晶格吸收等，这些吸收很大程度上是将能量转换成热这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发发载流子浓度，能，增加热激发发载流子浓度，引起光电导现象主要是本征吸收杂质吸引起光电导现象主要是本征吸收杂质吸收。收。第五十六页，本课件共有112页2 2、非平衡载流子浓度、非平衡载流子浓度 光照射半导体材料时，在本征半导体光照射半导体材料时，在本征半导体中电子吸收能量大于禁带宽度的光子，中电子吸收能量大于禁带宽度的光子，并产生了电子空穴对即光生载流子。如并产生了电子空穴对即光生载流子。如果光照突然停止，光生载流子不再产生，果光照突然停止，光生载流子不再产生，而载流子浓度因复合而减小。而载流子浓度因复合而减小。第五十七页，本课件共有112页复合的种类：间接直接复合。复合的种类：间接直接复合。直接复合：直接复合：晶格中运动的自由电子直接由晶格中运动的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合。导带回到价带与自由空穴复合。间接复合：间接复合：自由电子自由空穴通过禁带自由电子自由空穴通过禁带中的复合中心间接进行复合。中的复合中心间接进行复合。复合对光生载流子浓度的影响？复合对光生载流子浓度的影响？第五十八页，本课件共有112页光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命。光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命。半导体中，光生电子空穴对的直接复合率与载流子浓半导体中，光生电子空穴对的直接复合率与载流子浓度成正比。度成正比。解得方程：解得方程：为光照刚停时得光生载流子浓度为光照刚停时得光生载流子浓度，为载流子浓度下降得衰减系数。为载流子浓度下降得衰减系数。第五十九页，本课件共有112页四、载流子得扩散与漂移四、载流子得扩散与漂移1 1、扩散、扩散 当材料得局部位置收到光照，材料吸收光当材料得局部位置收到光照，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置得载流子浓度子产生载流子，在这局部位置得载流子浓度就比平均浓度高。这时电子将从浓度高得点就比平均浓度高。这时电子将从浓度高得点向浓度低得点运动，是自己在晶体中重新达向浓度低得点运动，是自己在晶体中重新达到均匀分布，这种现象称为扩散。到均匀分布，这种现象称为扩散。第六十页，本课件共有112页 单位面积得电流称为扩散电流，正比于光单位面积得电流称为扩散电流，正比于光生载流子得浓度梯度。生载流子得浓度梯度。第六十一页，本课件共有112页2 2、漂移、漂移在外电场作用下，电子向正极方向运动，空穴在外电场作用下，电子向正极方向运动，空穴向负极方向运动，这种运动称为漂移。向负极方向运动，这种运动称为漂移。在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度矢在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度矢量为：量为：第六十二页，本课件共有112页当扩散和漂移同时存在得时候总得电子电流当扩散和漂移同时存在得时候总得电子电流密度矢量和空穴电流密度矢量分别为：密度矢量和空穴电流密度矢量分别为：总电流密度为两者之和。总电流密度为两者之和。第六十三页，本课件共有112页3.2 3.2 半导体的光电效应半导体的光电效应光电效应的分类：光电效应的分类：1 1、内光电效应：、内光电效应：材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此引起电导率变化和电流电压现象，称之为内光电效应。引起电导率变化和电流电压现象，称之为内光电效应。内光电效应制成的器件有两大类：光电导和光生伏内光电效应制成的器件有两大类：光电导和光生伏特效应的两大器件。含有光敏电阻，特效应的两大器件。含有光敏电阻，SPRITESPRITE探测器、探测器、光电池、光电二极管、三极管和场效应管等。光电池、光电二极管、三极管和场效应管等。第六十四页，本课件共有112页 2 2、外光电效应：、外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子互相作用，致使足够大，它和物质中的电子互相作用，致使电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。外光电效应制成的器件有：光电管，光电倍外光电效应制成的器件有：光电管，光电倍增管等。增管等。第六十五页，本课件共有112页一、光电导效应一、光电导效应 当半导体材料受照时，由于对光子得吸当半导体材料受照时，由于对光子得吸收引起载流子浓度得增大，因而导致材料电收引起载流子浓度得增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应。材料导率增大，这种现象称为光电导效应。材料对光得吸收有本征型和非本征型两种。对光得吸收有本征型和非本征型两种。第六十六页，本课件共有112页本征型：本征型：光子能量大于材料禁带宽度时，把价光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中得电子激发到导带，在价带中留下自由带中得电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率得增加，即本征空穴，从而引起材料电导率得增加，即本征型光电效应。型光电效应。非本征型：非本征型：若光子激发杂质半导体，使电子从若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材料得电导率，即非本征光电导效应。料得电导率，即非本征光电导效应。第六十七页，本课件共有112页1 1、光电流、光电流 材料样品两端涂有电极，加载一定得弱电材料样品两端涂有电极，加载一定得弱电场，在样品的垂直方向加上均匀的光照，入场，在样品的垂直方向加上均匀的光照，入射功率为常数时，所得到的光电流为稳态光射功率为常数时，所得到的光电流为稳态光电流。电流。第六十八页，本课件共有112页 无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓无光照时，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度，因而样品具有一定的暗电导率暗电导率。样品在有光照的条件下，吸收光子产生光生载流子样品在有光照的条件下，吸收光子产生光生载流子浓度用浓度用n n和和p p表示。光照稳定的条件下的电导率为：表示。光照稳定的条件下的电导率为：附加的电导率称之为附加的电导率称之为光电导率光电导率，能够产生光电导效，能够产生光电导效应的材料称为光电导材料。应的材料称为光电导材料。第六十九页，本课件共有112页令：令：则：则：b b为迁移比。为迁移比。光电导灵敏度光电导灵敏度定义为单位入射光辐射功率所产定义为单位入射光辐射功率所产生的光电导率。生的光电导率。光电导灵敏度表达式光电导灵敏度表达式 第七十页，本课件共有112页 可见，要制成光电导率高的器件，应该可见，要制成光电导率高的器件，应该使使n n0 0和和P P0 0有较小数值，因此光电导器件一般有较小数值，因此光电导器件一般是由高阻材料是由高阻材料(n(n0 0,P,P0 0较小较小)或者在低温下使或者在低温下使用用(n(n0 0 ，p p0 0较少较少)第七十一页，本课件共有112页下面我们看一下光电流密度的求解：下面我们看一下光电流密度的求解：首先：首先：g g为载流子产生率，为载流子产生率，为寿命。为寿命。若入射光功率为若入射光功率为s s，载流子产生率与光功率的关系：，载流子产生率与光功率的关系：第七十二页，本课件共有112页第七十三页，本课件共有112页2 2、响应时间、响应时间（1 1）光电导驰豫过程）光电导驰豫过程 光电导材料从光照开始获得稳定的光电流学光电导材料从光照开始获得稳定的光电流学要一定的时间，当光照停止后光电流逐渐消失，要一定的时间，当光照停止后光电流逐渐消失，这种现象称为光电导驰豫现象。这种现象称为光电导驰豫现象。（2 2）上升响应时间）上升响应时间 光生载流子浓度上升到光生载流子浓度上升到稳态值的稳态值的6363所需的所需的时间为光电探测器上升响应时间。此时光生载时间为光电探测器上升响应时间。此时光生载流子浓度：流子浓度：第七十四页，本课件共有112页（3 3）下降时间）下降时间 光照停止以后光生载流子下降到稳光照停止以后光生载流子下降到稳定值的定值的3737时所需要的时间为下降时间。时所需要的时间为下降时间。此时光生载流子浓度的变化为：此时光生载流子浓度的变化为：第七十五页，本课件共有112页 光电导材料在弱光照时，表现为线性光光电导材料在弱光照时，表现为线性光电导，即光电导与入射光功率成正比。电导，即光电导与入射光功率成正比。而在强光照时表现为抛物线光电导，而在强光照时表现为抛物线光电导，即光电导与入射光功率的平方根成正比，即光电导与入射光功率的平方根成正比，定义其上升下降时间，相当于上升到稳定义其上升下降时间，相当于上升到稳态值的态值的7676，下降到稳态值的，下降到稳态值的5050。第七十六页，本课件共有112页影响光谱响应有两个主要因素：光电导材料对各影响光谱响应有两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的波长辐射的吸收系数和表面复合率吸收系数和表面复合率。响应有一峰值，而无论向长波或短波方向，响应响应有一峰值，而无论向长波或短波方向，响应都会降低。定性分析其原因：都会降低。定性分析其原因：在材料不同深度在材料不同深度x x处获得的光功率为处获得的光功率为P P=P=P0 0(1-)(1-)。在较。在较长波长上，材料吸收少，吸收系数很小，产生的电子长波长上，材料吸收少，吸收系数很小，产生的电子浓度较少，复合率小浓度较少，复合率小，一部分辐射会穿过材料，一部分辐射会穿过材料，因此灵敏度低。因此灵敏度低。第七十七页，本课件共有112页 随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光电导率达到峰