第02章光电检测技术基础精选PPT.ppt

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1、第02章光电检测技术基础2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1 1第1页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2 2导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。之间的半导体

2、。电阻率电阻率电阻率电阻率1010-6-6 10-3欧姆欧姆 厘米范围内厘米范围内厘米范围内厘米范围内导体导体导体导体 电阻率电阻率电阻率电阻率10101212欧姆欧姆欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体半导体第2页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系3 3半导体的特性半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常

3、敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净（纯净（纯净（纯净SiSi在室温下在室温下在室温下在室温下电导率为电导率为电导率为电导率为5*105*10-6-6/(/(欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米厘米厘米

4、厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 2/(/(欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米厘米厘米厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。第3页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系4 4本征和杂质本征和杂质半导体半导体 本征半导体本征半导体

5、本征半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。带中的量子态全部空着。带中的量子态全部空着。带中的量子态全部空着。在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净

6、的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。性质。性质。性质。掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质和和和和受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的n n型半导体。型半导体。

7、型半导体。型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p p型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。第4页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系5 5平衡和非平衡载流子平衡和非平衡载流子 处于热

8、平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子平衡载流子平衡载流子平衡载流子浓度。浓度。浓度。浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导半导体的热平衡状态是相对的，有

9、条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它

10、们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为分载流子称为分载流子称为分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子。第5页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系6 6非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生 光注入光注入光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流

11、子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当当当当光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量大大大大于于于于半半半半导导导导体体体体的的的的禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度时时时时，光光光光子子子子就就就就能能能能把把把把价价价价带带带带电电电电子子子子激激激激发发发发到到到到导导导导带带带带上上上上去去去去，产产产产生生生生电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对，使使使使导导导导带带带带比比比比平平平平衡衡衡衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴

12、。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法其它方法其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。第6页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系7 7载流子的输运过程载流子的输运过程扩散扩散漂移漂移复合

13、复合第7页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系8 8半导体对光的吸收半导体对光的吸收物体受光照射，一部分光被物体反射，一部物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁由于光子作用使电子由价带跃迁到导带到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只有在入射光子能量大于材料的禁

14、带宽度时，才能发生本征激发才能发生本征激发第8页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系9 9杂质吸收和自由载流子吸收杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能能能能由于杂质电离能比禁带宽度小，由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向区位于本征吸收的长波方向区位于本征吸收的长波方向区

15、位于本征吸收的长波方向.自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收第9页，此课件共49页哦2023

16、/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1010激子和晶格吸收激子和晶格吸收指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。会降低光电转换效率。第10页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1111光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特

17、效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电效应：物质受光照射后，材料电学性质光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。生感生电动势）现象。包括：包括：外光电效应：外光电效应：产生电子发射产生电子发射 内光电效应：内光电效应：内部电子能量状态发生变化内部电子能量状态发生变化第11页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1212光电效应解释光电效应解释物物质质在光的作用下，不在

18、光的作用下，不经经升温而直接引起物升温而直接引起物质质 中中电电子子运运动动状状态发态发生生变变化，因而化，因而产产生物生物质质的光的光电导电导效效应应、光生、光生伏特效伏特效应应和光和光电电子子发发射等射等现现象。象。在理解上述定在理解上述定义时义时，必，必须须掌握以下三个要点掌握以下三个要点：原因：是原因：是辐辐射，而不是升温；射，而不是升温；现现现现象：象：象：象：电电电电子运子运子运子运动动动动状状状状态发态发态发态发生生生生变变变变化；化；化；化；结结果：果：电导电导率变化率变化率变化率变化、光生伏特、光、光生伏特、光电电子子发发射。射。简单记为简单记为：辐辐射射电电子运子运动动状状

19、态发态发生生变变化化光光电导电导效效应应、光生伏特效、光生伏特效应应、光、光电电子子发发射。射。第12页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1313光对电子的直接作用是物质产生光电光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因效应的起因光光电电效效应应的的起起因因：在在光光的的作作用用下下，当当光光敏敏物物质质中中的的电电子子直直接接吸吸收收光光子子的的能能量量足足以以克克服服原原子子核核的的束束缚缚时时，电电子子就就会会从从基基态态被被激激发发到到高高能能态态，脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚，在在外外电场

20、作用下参与导电，因而产生了光电效应。电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。这这里里需需要要说说明明的的是是，如如果果光光子子不不是是直直接接与与电电子子起起作作用用，而而是是能能量量被被固固体体晶晶格格振振动动吸吸收收，引引起起固固体体的的温温度度升升高高，导导致致固固体体电电学学性性质质的的改改变变，这这种种情情况况就就不不是是光光电电效效应应，而是热电效应而是热电效应。第13页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1414光电导效应光电导效应 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化光电导效应

21、：光照射的物质电导率发生改变，光照变化光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。物理本质：物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起的束缚态电

22、子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。属于内光电效应。属于内光电效应。属于内光电效应。属于内光电效应。包括：包括：包括：包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。第14页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14

23、光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1515本征光电导效应本征光电导效应本征光电导效应：本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。即：光子能量即：光子能量即：光子能量即：光子能量hvhvhvhv大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度E E E Eg g g g的入射光，才能激光出电子空的入射光，才能激光出电子空的入射光，才能激光出电子空的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：穴对，使材料

24、产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：hvE hvEg g即存在截止波长：即存在截止波长：即存在截止波长：即存在截止波长：0 0=hc/E=hc/Eg g=1.24/E=1.24/Eg g。基本概念：基本概念：1、稳态光电流：、稳态光电流：稳定均匀光照稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流、暗电导率和暗电流3、亮电导率和亮电流、亮电导率和亮电流 4、光电导和光电流、光电导和光电流 第15页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术

25、系光信息科学与技术系1616基本公式：基本公式：暗电导率暗电导率Gd=dS/L暗电流暗电流Id=dSU/L亮电导率亮电导率Gl=lS/L亮电流亮电流Il=lSU/L光电导光电导Gp=S/L光电流光电流Ip=SU/L光电导效应示意图光电导效应示意图LS本征半导体样品本征半导体样品光光U第16页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1717杂质光电导效应：杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电杂质半导体中施

26、主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。子或空穴，从而增加材料电导率的现象。子或空穴，从而增加材料电导率的现象。子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用长比本征材料要长得多。用长比本征材料要长得多。用长比本征材料要长得多。用E EI表示杂质半导体的电离能，则截表示杂质半导体

27、的电离能，则截表示杂质半导体的电离能，则截表示杂质半导体的电离能，则截止波长：止波长：止波长：止波长：0=hc/E=hc/EI I。特点：容易受特点：容易受热激激发产生的噪声的影响，常工作在低温生的噪声的影响，常工作在低温状状态。常常用光电导材料：硅用光电导材料：硅Si、锗、锗Ge及掺杂的半导体材料，及掺杂的半导体材料，及掺杂的半导体材料，及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。以及一些有机物。以及一些有机物。以及一些有机物。第17页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1818 光电导效应指固体受光照而改变其

28、电导率。此效应是最早发现光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 E(E(禁禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个最大的响，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限应波长，称为光电导的长波限C C ，若若C C 以以m m 计，计，E E 以以eV eV 计，计，

29、则则C C与与EE的关系为的关系为 C=1.24/E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。第18页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1919 一、光电导体的灵敏度一、光电导体的灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的

30、表示法。光电导体的件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：G=/tL：（1）式中式中为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为光为光生载流子寿命；生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有 tL=l/E=l2/U （2）

31、将式（将式（1）代入式（）代入式（2）可得）可得 G=U/l2 第19页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2020式中式中l为光电导体两极间距；为光电导体两极间距；为迁移率；为迁移率；E为两极间的电场强度；为两极间的电场强度；U为外为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越长，迁移率越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距的灵敏度还与

32、电极间距l的平方成反比。的平方成反比。如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为表达式为 G=(nn+pp)U/l2 式中式中n和和p分别为自由电子和空穴的寿命；分别为自由电子和空穴的寿命；n和和p分别为自由电子和分别为自由电子和空穴的迁移率。空穴的迁移率。第20页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系21212 2、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程 光电导效应是非平衡载光电导效应是非平衡载光电导

33、效应是非平衡载光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的流子效应，因此存在一定的流子效应，因此存在一定的流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从弛豫现象，即光电导材料从弛豫现象，即光电导材料从弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电光照开始到获得稳定的光电光照开始到获得稳定的光电光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光流需要一定的时间。同样光流需要一定的时间。同样光流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛电流的消失也是逐渐的。弛电流的消失也是逐渐的。弛电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光豫现象说明了光电导体对光豫现象说明了光电导体对光豫现象说明了光

34、电导体对光强变化的反应快慢程度，称强变化的反应快慢程度，称强变化的反应快慢程度，称强变化的反应快慢程度，称为惰性。为惰性。为惰性。为惰性。EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲光光电导对光光强变化反化反应的惰性引的惰性引起光起光电流流变化的延化的延迟 当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时,输出光电流与光功率调制频率变化关输出光电流与光功率调制频率变化关输出光电流与光功率调制频率变化关输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。系是一低通特性。系是一低通特性。系是一低通特性。第21页，此课件共49页

35、哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系22223、光电导增益、光电导增益、光电导增益、光电导增益光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L L L L的光的光的光的光电导体在两端加上电压电导体在两端加上电压电导体在两端加上电压电导体在两端加上电压U U U U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形后，

36、由光照产生的光生载流子在电场作用下形后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的成的成的成的外电流外电流外电流外电流与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的光电流光电流光电流光电流之比。可表示为之比。可表示为之比。可表示为之比。可表示为:M=M=M=M=/drdrdrdr 为为器件的器件的器件的器件的时间时间响响响响应应 drdrdrdr为载为载流子在两极流子在两极流子在两极流子在两极间间的渡越的渡越的渡越的渡越时间时间光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较光电导器件常做成

37、梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的大的大的大的受光表面受光表面受光表面受光表面，又可减小，又可减小，又可减小，又可减小电极间距离电极间距离电极间距离电极间距离，从而减小载流子的有效极，从而减小载流子的有效极，从而减小载流子的有效极，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度间渡越时间，也利于提高灵敏度间渡越时间，也利于提高灵敏度间渡越时间，也利于提高灵敏度.光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即MM

38、f=f=常数。表明，光常数。表明，光常数。表明，光常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。这一结论对光电效应现象有普遍性。这一结论对光电效应现象有普遍性。这一结论对光电效应现象有普遍性。第22页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系23234 4 4 4、光电导的光谱分布、

39、光电导的光谱分布 半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方的这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如向，它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如PbSPbS，PbSePbSe，PbTePbTe可以有效地利用到可以有效地利用到10m10m的红外光波段，而的红外光波段，而CdSCdS可可以有效地利用到以有效地利用到X X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不

40、同波长的光强。分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。(1)(1)本征光电导的光谱分布本征光电导的光谱分布第23页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2424一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线第24页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2525由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个

41、最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，T.S.T.S.莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自

42、然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。移率与寿命，都将引起光电导下降。第25页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系

43、光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2626(2)、杂质光电导的光谱分布杂质光电导的光谱分布 半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。目少，所以杂质光电导效应相

44、对本征光电导来说也微弱得多。第26页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2727掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线第27页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2828 由图可以看出，光电导在光子能量由图可以看出，光电导在光子能量0.7eV0.7eV附近陡起明显，表示本附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度征光电

45、导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。电子或空穴。图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，

46、在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是p p型半导体（型半导体（p p型型GeGe：AuAu），），从曲线中看到，长波限在从曲线中看到，长波限在0.05eV0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是是p p型（型（p p型型GeGe：AuAu：AsAs），长波限相应于），长波限相应于0.15eV0.15eV。当加入足够多的砷施主。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从杂质时，致使锗晶体从p p型转变为型转变为n n型（型（n n型型GeGe：AuAu：AsAs），从曲线中可看），从曲线中可看到长波限相应于到

47、长波限相应于0.2eV0.2eV。第28页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2929 光生伏特效应光生伏特效应达达到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体PNPN结，在光照的作用下，在结，在光照的作用下，在PNPN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。伏特效应。也称光伏效应。物理本质：物理本质：PNPN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂结内建电场使得载流子（电子和空穴）

48、的扩散和漂结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N N区区区区和和和和P P区

49、移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在相当于在相当于在相当于在PNPN加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。第29页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系3030IpPN_VDV+光照光照PNEcEvEFeVD无光照无光照有光照有

50、光照PNEcEvEFeVD-eV形成过程：形成过程：空穴空穴电子电子光生（正向）电压产生正向注入光生（正向）电压产生正向注入电流（由电流（由P指指N）：）：I+=Isexp(qV/kT)-1I+第30页，此课件共49页哦2023/1/142023/1/14光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系3131当当PNPN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：I=I I=Ip p-I-I+=I=Ip p-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1负负载接入外回路，电流为载接入外回路，电流为I I