光电检测器件工作原理及特性(精)资料讲解.ppt
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1、光电检测器件工作原理及光电检测器件工作原理及特性特性(精精)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、光的基本性质波粒二象性波粒二象性17世纪牛顿提出光的微粒说世纪牛顿提出光的微粒说惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说1860年年Maxwell的电磁理论建立,光也是一的电磁理论建立,光也是一种电磁波种电磁波电磁波的范围很电磁波的范围很广,波长从几个广,波长从几个皮米到数千米皮米到数千米光波波长区间约光波波长区间约从几个纳米到从几个纳米到1毫毫米左右米左右可见光:可见光:0.38nm0.78nm电磁理论能很好的解释光的反射、折射、电磁理论能很好
2、的解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和光在各向异性介质干涉、衍射、偏振和光在各向异性介质中的传播等现象。但是无法解释光的吸中的传播等现象。但是无法解释光的吸收、散射和色散。收、散射和色散。1900年,普朗克提出辐射的量子论年,普朗克提出辐射的量子论1905年,爱因斯坦提出光量子的概念年,爱因斯坦提出光量子的概念波动性波动性光的传播光的传播量子性量子性与物质的相互作用与物质的相互作用二、光辐射度量二、光辐射度量辐射是一种能的形式。辐射是一种能的形式。光源一般指发光的物体。分为天然光源和人光源一般指发光的物体。分为天然光源和人造光源。造光源。辐射能可以转换为其他形式的能量,从而可辐射能可以转换为
3、其他形式的能量,从而可以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。光源的辐射特性可以用以下辐射量来表征:光源的辐射特性可以用以下辐射量来表征:辐射能、辐射能密度、辐射通量、辐射出射辐射能、辐射能密度、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。1、辐射能、辐射能Qe以辐射的形式发射、传播或接收的能量以辐射的形式发射、传播或接收的能量单位:焦耳单位:焦耳(J)2、辐射能密度、辐射能密度we光源在单位体积内的辐射能光源在单位体积内的辐射能单位:焦耳单位:焦耳/米米3(J/m3)3、反射通量、反射通量 (辐射功率、辐射能流)(
4、辐射功率、辐射能流)在单位时间内通过某一定面积的辐射能在单位时间内通过某一定面积的辐射能单位:瓦(单位:瓦(W)4、辐射强度、辐射强度Ie从一个点光源发出的,在单位时间内单从一个点光源发出的,在单位时间内单位立体角所辐射的能量位立体角所辐射的能量单位:瓦单位:瓦/球面度(球面度(W/Sr)5、辐射出射度、辐射出射度Me(辐射发射度)(辐射发射度)辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率单位:瓦单位:瓦/米米2(W/m2)6、辐射亮度、辐射亮度 Le由辐射表面定向发射的辐射强度由辐射表面定向发射的辐射强度单位:瓦单位:瓦/(米(米2.球面度(球面度(W/(m2.S
5、r)7、辐照度、辐照度 Ee单位面积内所接收到的辐射通量单位面积内所接收到的辐射通量单位:瓦单位:瓦/米米2(W/m2)三、光谱辐射度量(辐射量的光谱密度)三、光谱辐射度量(辐射量的光谱密度)1、光谱辐射通量、光谱辐射通量光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量量总的辐射通量(全色辐射通量)总的辐射通量(全色辐射通量)2、光谱辐射出射度、光谱辐射出射度3、光谱辐射强度、光谱辐射强度4、光谱辐射亮度、光谱辐射亮度5、光谱辐照度、光谱辐照度它们与总辐射度量值之间的关系:它们与总辐射度量值之间的关系:四、光度量四、光度量光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。光
6、度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。人眼的光谱敏感特性可以由光谱光视效率人眼的光谱敏感特性可以由光谱光视效率(视见函数)来描述。(视见函数)来描述。1、光通量、光通量光辐射通量对人眼所引起的视觉度值光辐射通量对人眼所引起的视觉度值Km:最大光谱光视效能:最大光谱光视效能在波长在波长555nm出,光视函数取出,光视函数取1时,辐射度时,辐射度量与光度量的比值。量与光度量的比值。2、发光强度、发光强度 I光源在给定方向上单位立体角内所发出的光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量光通量单位:砍德拉单位:砍德拉 cd3、光出射度、光出射度 M光源表面给定点处单位面积向半空间内发出光源表面给定点处
7、单位面积向半空间内发出的光通量的光通量单位:流明单位:流明/米米2 lm/m24、光照度、光照度 E被照明物体给定点处单位面积上的入射光被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量通量单位:勒克斯单位:勒克斯 lx点光源照明时的照度点光源照明时的照度垂直照明时:垂直照明时:5、光亮度、光亮度光源表面一点处的面元在给定方向上的发光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度与该面元在垂直于给定发向的平面光强度与该面元在垂直于给定发向的平面上的正投影面积之比上的正投影面积之比单位:砍德拉单位:砍德拉/米米2 cd/m26、光量、光量 Q光通量对时间的积分光通量对时间的积分l l辐射度量与光度量辐射度量与光
8、度量l l半导体物理基础半导体物理基础l l光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础l l光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数固体材料按其电阻率分为三类:固体材料按其电阻率分为三类:固体固体 电阻率电阻率10-610-3.cm绝缘体绝缘体 电阻率电阻率1012.cm以上以上半导体半导体 电阻率电阻率10-31012.cm常常见见半半导导体材料:元素半体材料:元素半导导体、化合物半体、化合物半导导体、氧化物半体、氧化物半导导体、固熔体半体、固熔体半导导体、有机半体、有机半导导体、玻璃半体、玻璃半导导体、稀土半体、稀土半导导体等。体等。1.2半导体物理基础半导体物理基础一、半导体的特性
9、一、半导体的特性1、半导体的电阻温度系数一般为负,对、半导体的电阻温度系数一般为负,对温度的变化非常敏感。温度的变化非常敏感。2、导电性能可受微量杂质的影响而发生十分、导电性能可受微量杂质的影响而发生十分显著的变化。显著的变化。3、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用影响而发生非常重要的变化。磁等外界作用影响而发生非常重要的变化。二、能带理论二、能带理论1、原子能级与晶体能级、原子能级与晶体能级1)能级()能级(Energy Level)在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的在孤立原子中,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
10、的电子。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。是电子按能级分布。用一条条高低不同的水平线表示电子的能级用一条条高低不同的水平线表示电子的能级 2)能带()能带(Energy Band)原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使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原子上,有可能转移到电子不再局限于某个原子上,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。为电子
11、的共有化。共有化使能级发生扩展,扩展后的多个相邻共有化使能级发生扩展,扩展后的多个相邻很近的能级统称为能带。很近的能级统称为能带。3)禁带()禁带(Forbidden Band)允许被电子占据的能带称为允许带。允许被电子占据的能带称为允许带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。电子中是先占据原子壳层中的内层允许带,电子中是先占据原子壳层中的内层允许带,然后再向高能量的外面一层允许带填充。然后再向高能量的外面一层允许带填充。被电子占满的允许带称为满带。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。每一个能级上都没有电子的能带称为空带
12、。4)价带()价带(Valence Band)原子中最外层的电子称为价电子,与价电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。子能级相对应的能带称为价带。5)导带()导带(Conduction Band)价带以上能量最低的允许带称为导带。价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级导带的底能级 Ec价带的顶能级价带的顶能级 Ev禁带禁带 Eg=Ec-Ev6)载流子)载流子导体或半导体的导电作用是通过带电粒子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,这种电流的运动(形成电流)来实现的,这种电流的载体称为载流子的载体称为载流子(carrier)。导体中的
13、载流子为自由电子导体中的载流子为自由电子半导体中的载流子为带负电的电子和带正半导体中的载流子为带负电的电子和带正电的空穴。电的空穴。导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料的导电性能。的导电性能。绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体2、本征半导体与杂质半导体、本征半导体与杂质半导体 1)本征半导体)本征半导体结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的,所以电子浓度的,所以电子浓度n等于空穴浓度等于空穴浓度p,并称之,并称之为本征载流子浓度为本征载流子浓
14、度ni,ni随温度升高而增加,随温度升高而增加,随禁带宽度的增加而减小随禁带宽度的增加而减小。2)杂质半导体)杂质半导体半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半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。导体,杂质对半导体导电性能影响很大。3)掺杂对半导体导电性能的影响)掺杂对半导体导电性能的影响半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中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,因此会明显地改变导带产生附加的能级,因此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。地影响半导体的电导率。N型半导体型半导体
15、P型半导体型半导体N型半导体与型半导体与P型半导体的比较型半导体的比较半导体半导体所掺杂质所掺杂质多数载流子多数载流子(多子)(多子)少数载流子少数载流子(少子)(少子)特性特性N型型施主杂质施主杂质电子电子空穴空穴电子浓度电子浓度nn空穴浓空穴浓度度pnP型型受主杂质受主杂质空穴空穴电子电子电子浓度电子浓度np空穴浓空穴浓度度pp3、热平衡态下的载流子、热平衡态下的载流子 激发:电子获得一定的能量从价带跃迁到激发:电子获得一定的能量从价带跃迁到导带,形成自由电子和自由空穴。导带,形成自由电子和自由空穴。复合:电子从高能量的量子态跃迁到低能量复合:电子从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态,向晶
16、格释放能量。的量子态,向晶格释放能量。在一定温度下,若没有其他的外界作用,激在一定温度下,若没有其他的外界作用,激发和复合相平衡,称为热平衡状态发和复合相平衡,称为热平衡状态4、非平衡载流子、非平衡载流子1)激发和复合)激发和复合在外界作用时,激发大于复合,这种增加的在外界作用时,激发大于复合,这种增加的电子和空穴称为非平衡载流子。电子和空穴称为非平衡载流子。浓度用浓度用 表示。表示。在导带和价带中的电子和空穴的浓度分别为在导带和价带中的电子和空穴的浓度分别为有恒定光照时,有恒定光照时,n和和 p增大,复合率上升,直到增大,复合率上升,直到达到新的平衡。达到新的平衡。光照停止时,光照停止时,n
17、和和 p减小,复合率下降,再次达减小,复合率下降,再次达到平衡。到平衡。2)复合与非平衡载流子寿命)复合与非平衡载流子寿命三种复合机制:直接复合三种复合机制:直接复合通过复合中心复合通过复合中心复合表面复合表面复合直接复合直接复合导带中电子直接跳回到价带,与价带中的空穴导带中电子直接跳回到价带,与价带中的空穴复合。复合。通过复合中心复合通过复合中心复合复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包括四种情况:中心间接复合包括四种情况:1.电子从导带落入到复合中心称电子俘获;电子从导带落入到复合中心称电子俘获;2.电子从复合中心落入价带称空穴俘获;电子从复
18、合中心落入价带称空穴俘获;3.电子从复合中心被激发到导带称电子发射;电子从复合中心被激发到导带称电子发射;4.电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。在时间。表征复合的强弱,表征复合的强弱,小表示复合快,小表示复合快,大表示大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性,采复合慢。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。的效果有直接关系。的大小与材料的微观的大小与材料的
19、微观复合结构、掺杂、缺陷有关。复合结构、掺杂、缺陷有关。5、半导体对光的吸收、半导体对光的吸收 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光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。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:内的光强遵照吸收定律:1)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,产生等量的发到导带,在价带中留下空穴,产生等量的电子与空穴,这种吸收过程叫本征吸收。电子与空穴,这种吸收过程叫本征吸收。本征吸收的条件:入射光子的能量(本
20、征吸收的条件:入射光子的能量(hv)至)至少要等于材料的禁带宽度少要等于材料的禁带宽度Eg。即。即 从而有从而有材料的频率阈值材料的频率阈值材料的波长阈值材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值材料材料温度温度/KEg/eV/m材料材料温度温度/KEg/eV/mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1GaP3002.240.55PbS2950.432.92)非本征吸收)非本征吸收主要有四种:主要有四种:杂质吸收杂质吸收自由载流子吸收自由载流子吸收激子吸收激子吸收晶格吸收晶格吸
21、收(1)杂质吸收)杂质吸收杂质能级上的电子(或空穴)吸收光子能量杂质能级上的电子(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),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。值多在红外区或远红外区。(2)自由载流子吸收)自由载流子吸收 导带内的电子或价带内的空穴也能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,这种吸收称为自由载流子移到高能级,这种吸收称为自由载流子吸收,表现为红外吸收。吸收,表现为红外吸收。(3)激
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