光辐射探测的理论基础.ppt

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1、理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第01章章 光辐射探测的理论基础光辐射探测的理论基础 辐射度量学基础辐射度量学基础半导体基础半导体基础光电探测器概光电探测器概述述掌握掌握了了 解解理理 解解理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.1.1 光的基本概念光的基本概念1.1.2 辐射度量辐射度量1.1.4 两条基本定律两条基本定律1.1.3 光度量光度量1.1.1 光的基本概念光的基本概念 1.1.1光的基本概念光的基本概念 光学波段光学波段 1.1.1光的基本概念光的基本概念光学谱区光学谱区 0.01m1000m

2、可见光区可见光区 0.38m0.78m红外区红外区 0.78m1000m紫外区紫外区 0.01m0.38m理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电技术光电技术常用的光波波段常用的光波波段远红外波段远红外波段远近紫外波段远近紫外波段可见光波段可见光波段近红外波段近红外波段中红外波段中红外波段8理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电技术光电技术常用的光波波段常用的光波波段远红外波段远红外波段远近紫外波段远近紫外波段可见光波段可见光波段近红外波段近红外波段中红外波段中红外波段已开发利用波段已开发利用波段待开发利用波段83 3光子能量公式光子能量公式光既是电磁波（波动性）又是光子

3、流（光既是电磁波（波动性）又是光子流（粒子性粒子性）可见光光子的能量范围为可见光光子的能量范围为3.21.6eV 太赫兹波太赫兹波303000m能量范围为？能量范围为？eV 1.1.1光的基本概念光的基本概念 太赫兹波太赫兹波303000m与与X射线比较：射线比较：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.1.1 光的基本概念光的基本概念1.1.2 辐射度量辐射度量1.1.4 两条基本定律两条基本定律1.1.3 光度量光度量1.1.2 辐射度量辐射度量辐射度学辐射度学是一门研究电磁辐射能测量是一门研究电磁辐射能测量的学科。的学

4、科。本课程限于本课程限于光学波段光学波段的研究讨论。的研究讨论。辐射度学辐射度学 电磁波电磁波 客观客观光度学光度学 可见光可见光 主观主观（生理、心理）（生理、心理）理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系电磁波电磁波（Emission）可见光可见光（Visible light）辐射度量，辐射度量，Xe 光度量，光度量，Xv 1.1.2 辐射度量辐射度量 1辐射能辐射能Qe 2辐射通量辐射通量e又称辐射功率，又称辐射功率，简称功率简称功率 单位：单位：W 计算计算光电探测器光电探测器的光电转换能力常用的光电转换能力常用辐射功率辐射功率 分析分析强光强光对光电探测器破坏机理常用对光电探测

5、器破坏机理常用辐射能量辐射能量 单位：单位：J1.1.2 辐射度量辐射度量3 3辐射强度辐射强度 在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射通量与立体角元之比通量与立体角元之比 单位：单位：W/sr(瓦瓦/球面度球面度)辐射强度反映了辐射源辐射强度反映了辐射源能量分布的什么特点？能量分布的什么特点？3 3辐射强度辐射强度辐射源多为各向异性的，即辐射源多为各向异性的，即Ie随随 方向而改变方向而改变超高压球形氙灯辐射强度分布超高压球形氙灯辐射强度分布 4辐射出度辐射出度Me与辐射亮度与辐射亮度Le辐射出度辐射出度Me 面辐射源元的辐射面辐射源元的辐射能力

6、能力4辐射出度辐射出度Me与辐射亮度与辐射亮度Le辐射出度辐射出度Me 辐射亮度辐射亮度Le 面辐射源元的辐射面辐射源元的辐射能力能力面辐射源沿不同方向的辐射能力面辐射源沿不同方向的辐射能力的差异的差异 5辐射照度辐射照度Ee辐射接收面上单位面积辐射接收面上单位面积接受的辐射通量接受的辐射通量 单位：单位：W/m2 （瓦（瓦/平方米）平方米）比比 较：较：辐射照度辐射照度Ee辐射出度辐射出度Me例：常见的几种显示器例：常见的几种显示器为了反映显示屏的特性，用上述哪个参数描述为了反映显示屏的特性，用上述哪个参数描述合适？为什么？合适？为什么？为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适

7、合的辐射度量是（）A 辐射照度 B 辐射强度 C 辐射出度 D 辐射亮度6 6光谱辐射量光谱辐射量 辐射源辐射源 多波长的辐射多波长的辐射氘灯的光谱能量分布图氘灯的光谱能量分布图6 6光谱辐射量光谱辐射量 辐射源辐射源 多波长的辐射多波长的辐射荧光灯荧光灯的光谱能量分布图的光谱能量分布图6 6光谱辐射量光谱辐射量光谱辐射量是该辐射量在波长光谱辐射量是该辐射量在波长处的单位波长间隔处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量e()：光谱辐射通量与波长的关系：光谱辐射通量与波长的关系：1辐射

8、能辐射能Qe 2辐射通量辐射通量e3辐射强度辐射强度 4辐射出射度辐射出射度Me与辐射亮度与辐射亮度Le 5辐射照度辐射照度Ee6光谱辐射量光谱辐射量光电技术中最常用：光电技术中最常用：辐射照度辐射照度辐射通量辐射通量1.1.2 辐射度量辐射度量1.1.3 光度量光度量u 人眼只能感知波长在人眼只能感知波长在0.380.380.780.78mm之间的辐射之间的辐射u 人眼对不同波长的感光灵敏度不同人眼对不同波长的感光灵敏度不同1 1光谱光视效率光谱光视效率 或视见函数或视见函数 最大值在最大值在555 nm表表1 11 1 1 1光谱光视效率或视见函数光谱光视效率或视见函数 2 2光度量的基本

9、物理量光度量的基本物理量光度量的基本物理量与辐射度量一一对应光度量的基本物理量与辐射度量一一对应 辐射度量符号单位名称光度量符号单位名称辐射能Qe焦耳(J)光能Qv流明秒(lms)辐射通量或辐射功率e瓦(W)光通量或光功率v流明(lm)辐射照度Ee瓦/平方米(Wm-2)光照度Ev勒克斯(lx=lmm-2)辐射出度Me瓦/平方米(Wm-2)光出度Mv流明/平方米(lmm-2)辐射强度Ie瓦/球面度(Wsr-1)发光强度Iv坎德拉(cd=lmsr-1)辐射亮度Le瓦/平方米球面度(Wm-2 sr-1)光亮度Lv坎德拉/平方米(cdm-2)发光强度单位发光强度单位坎德拉（坎德拉（Candela），记

10、作），记作cd。即即=555 nm时，有时，有国际单位制中七个基本单位之一国际单位制中七个基本单位之一 ：3 3辐射度量与光度量间的换算关系辐射度量与光度量间的换算关系=555 nm时时=？nm时时3 3辐射度量与光度量间的换算关系辐射度量与光度量间的换算关系=555 nm时时=？nm时时任意波长：任意波长：其光度量其光度量3 3辐射度量与光度量间的换算关系辐射度量与光度量间的换算关系日元日元美元美元光度量光度量辐射度量辐射度量光度光度量量单位举例：单位举例：例例2：无月夜天光无月夜天光 照度照度310-4lx（微光夜视）（微光夜视）白天办公室光白天办公室光 照度照度 2100lx 对对CCD

11、摄像机摄像机 黑白图像黑白图像照度照度0.02lx 彩色图像彩色图像照度照度2lx例例3：海平面太阳光平均海平面太阳光平均 亮度亮度 1.6109 cd.m-2 10mW氦氖激光器氦氖激光器亮度亮度6.661011cd.m-2 例例1：教室投影仪器教室投影仪器 光通量光通量2000lm2500lm 高档的高档的 光通量光通量3500lm理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系辐射度与光度量辐射度与光度量总结：总结：eMeIeLeSvMvIvLvScos q qcos q q理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.1.1

12、 光的基本概念光的基本概念1.1.2 辐射度量辐射度量1.1.4 两条基本定律两条基本定律1.1.3 光度量光度量理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.1.4辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的两条基本定律两条基本定律1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 2 2距离平方反比定律距离平方反比定律简单介绍，课后自学简单介绍，课后自学1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 “余弦辐射体”或“朗伯辐射体”特点：各方向的辐射亮度是一样的 例如：太阳 荧光屏 毛玻璃灯罩 坦克表面 两条基本定律两条基本定律1 1辐射强度余弦定律辐射强度余弦定律 “余弦辐射体”或“朗伯辐射体”特点：各方向的辐射

13、亮度是一样的 重要结论：两条基本定律两条基本定律2 2距离平方反比定律距离平方反比定律 意义：意义：计算面元接收到光能量计算面元接收到光能量点光源A，距离光源为R微面元dS，照度：应用条件：应用条件：光源尺寸远小于距离光源尺寸远小于距离R两条基本定律两条基本定律理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第01章章 光辐射探测的理论基础光辐射探测的理论基础 辐射度量学基础辐射度量学基础半导体基础半导体基础光电探测器概光电探测器概述述理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系半导体基础半导体基础许多光电探测器都是由半导体材料制作的 半导体材料具有许多独特物理性质专门学科：半导体物理学理学

14、院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.1 能带理论能带理论1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 电子共有化，能级扩展为能带电子共有化，能级扩展为能带1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识a)单个原子单个原子 b)N个原子个原子最外层电子最外层电子自由电子自由电子1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体

15、能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg价电子（最外层电子）能级相对应的能带价电子（最外层电子）能级相对应的能带 1.2.1 能带理论能带理论1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg3.价电子-自由电子，要吸收能量特别指出：1.价带中电子，价电子不能参与导电2.导带中电子，自由电子能参与导电1.2.1 能带理论能带理论1 1原子能级与晶体能带原子能级与晶体能带 价带价带Ev导带导带Ec禁带禁带Eg 为什么只考虑导带与价带之间的禁带？1.2.1 能带理论能带理论电磁波谱与电磁波谱与原子内部电子运动原子内部电子运动绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体

16、、金属的能带图 SiO Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm半导体具有独特光电特性半导体具有独特光电特性重要应用价值重要应用价值1.2.1能带理论能带理论理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系本征半导体本征半导体结构完整、纯净的半导体称为结构完整、纯净的半导体称为本征半导体，又称本征半导体，又称I型半导体。型半导体。杂质半导体杂质半导体半导体中可人为掺入少量杂质半导体中可人为掺入少量杂质包括包括N型半导体型半导体 和和 P型半导体型半导体 1.2.1能带理论能带理论2.半导体分类半导体分类2 2半导体能带

17、半导体能带以硅晶体为例以硅晶体为例1.2.1能带理论能带理论共价键共价键 电子电子空穴对空穴对 载流子载流子 本征激发本征激发 室温或光照射室温或光照射理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系2 2半导体能带半导体能带1.2.1能带理论能带理论室温或光照射室温或光照射共价键结构示意图共价键结构示意图 本征半导体能带图本征半导体能带图 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系N N型半导体能带型半导体能带N N型半导体型半导体 本征半导体本征半导体 1.2.1能带理论能带理论施主能级？施主能级？N N型半导体型半导体含有三种载流子：含有三种载流子：自由电子数自由电子数空穴数目空穴数目

18、?(多子多子)(少子少子)“Negative”N型半导体型半导体PP1.2.1能带理论能带理论P P型半导体能带型半导体能带N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 本征半导体本征半导体 1.2.1能带理论能带理论P P型半导体型半导体含有三种载流子：含有三种载流子：空穴数目空穴数目自由自由电电子数目？子数目？(多子多子)(少子少子)BBBBB1.2.1能带理论能带理论2 2半导体能带半导体能带1.2.1能带理论能带理论(a)本征半导体本征半导体 (b)N型半导体型半导体 (c)P型半导体型半导体 三者的差异？(a)I型；型；(b)N型；型；(c)P型型N N型半导体：施主能级型半导体：

19、施主能级 P P型半导体：受主能级型半导体：受主能级 掺杂百万分之一的杂质掺杂百万分之一的杂质,载流子浓度提高百万倍？载流子浓度提高百万倍？1.2.1能带理论能带理论理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系总结：总结：N N型半导体型半导体与与P P型半导体型半导体的比较的比较半导体半导体所掺杂质所掺杂质多数载流多数载流子子（多子）（多子）少数载流少数载流子（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空穴空穴浓度浓度pn P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空穴空穴浓度浓度pp1.2.1能带理论能带理论理学院理学院

20、光电子与物理学系光电子与物理学系1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子热平衡态热平衡态1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识一个不受外界影响的封闭系统，其状态参量（如温度、载流子浓度等）与时间无关的状态称为热平衡态。载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带

21、中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子热平衡条件下，能量为热平衡条件下，能量为E的能级被的能级被电子占据的概率电子占据的概率为：为：Ef费米能级费米能级载流子的分布载流子的分布 服从费米统计分布规律服从费米统计分布规律 费米能级费米能级Ef的物理意义的物理意义 1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子Ef的意义是电子占据率为0.5时所对应的能级 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子电子占据概率：电子占据概率：空穴占据概率：空

22、穴占据概率：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度占据概率：占据概率：导带中电子占据的概率：导带中电子占据的概率：导带中总的电子浓度：导带中总的电子浓度：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系导带导带 电子浓度：电子浓度：价带价带 空穴浓度：空穴浓度：1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子载流子的分布载流子的分布本征和杂质半导体中的费米能级：本征和杂质半导体中的费米能级：（a）本征半导体；（）本征半导体；（b）N型半导体；型半导体

23、；（c）P型半导体型半导体 用费米能级描述载流子分布用费米能级描述载流子分布 “标尺标尺”1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子半导体费米能级推导半导体费米能级推导练习：画出轻掺杂练习：画出轻掺杂N N型和重掺杂型和重掺杂N N型型费米能级示意图费米能级示意图1.2.2热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子热平衡态热平衡态1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识载流子的分布载流子的分布导带中电子的浓度导带中电子的浓度价带中空穴的浓度价带中空穴的浓度用费米能级用费米能级E Ef f描述：描述：本征半导体本征半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体总总 结：结：理学院理

24、学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收1 1吸收定律吸收定律(x)=0(1r)e-x =4/1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征吸收本征吸收半导体对光的吸收半导体对光的吸收非本征吸收

25、非本征吸收1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征吸收：本征吸收：光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带 截止波长截止波长(a)本征半导体；本征半导体；(b)N型半导体；型半导体；(c)P型半导体型半导体 产生产生电子空穴电子空穴 对对条件：条件：特点：特点：1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征吸收：本征吸收：(a)本征半导体；本征半导体；(b)N型半导体；型半导体；(c)P型半导体型半导体 本征半导体和杂质半导体内部，都有可能发生本征吸收！特别注意：特别注意：1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收非本征吸收：非本征吸收：(a)本征

26、半导体；本征半导体；(b)N型半导体；型半导体；(c)P型半导体型半导体 光子能量不足以使价带中的电子激发到导带光子能量不足以使价带中的电子激发到导带 ，包括，包括杂质吸收、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、晶格吸收晶格吸收 杂质吸收：杂质吸收：N N型半导体型半导体 施主施主束缚电子束缚电子导带导带P P型半导体型半导体 受主受主束缚空穴束缚空穴价带价带 1.2.3半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征吸收本征吸收电子电子 空穴空穴 对对杂质吸收杂质吸收本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收波长增大波长增大本征吸收与非本征吸收比较：本征吸收与非本征吸收比较：电子电子 或或 空

27、穴空穴理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1 1 非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1 1非平衡载流子的注入和复合非

28、平衡载流子的注入和复合非平衡载流子非平衡载流子 （过剩载流子）（过剩载流子）1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子光生载流子光生载流子热生载流子热生载流子1 1非平衡载流子的注入和复合非平衡载流子的注入和复合产生：产生：复合：复合：使非平衡载流子浓度增加的运动使非平衡载流子浓度增加的运动 使非平衡载流子浓度减小的运动使非平衡载流子浓度减小的运动 寿命？寿命？1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子2.2.非平衡载流子的寿命非平衡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，光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命，用用c表示。表示。以以N型为例型为例1.2

29、.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子复合率：复合率：（热）产生率：r为复合系数 热平衡时热平衡时 2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子光生电子空穴对的直接复合率可用材料中少子的变化率表示为 弱注入n(t)=p(t)n02.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命以以N型为例，计算弱注入条件下

30、型为例，计算弱注入条件下少子的寿命少子的寿命1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子弱注入条件下，载流子寿命与热平衡时多子电子的浓度成反比，并且在一定温度下是一个常数。表明：2.2.非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 表征复合的强弱表征复合的强弱c决定线性光电导探测器的时间特性决定线性光电导探测器的时间特性c的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷 等因素有关。等因素有关。c的物理意义：的物理意义：1.2.4非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子c的适应条件：的适应条件：本征吸收和杂质吸收，本征吸收和杂质吸收，弱注入弱注入理学院理学院 光电子与

31、物理学系光电子与物理学系1.2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2.1 能带理论能带理论1.2.2 热平衡状态下的载流子热平衡状态下的载流子1.2.3 半导体对光的吸收半导体对光的吸收1.2.4 非平衡状态下的载流子非平衡状态下的载流子1.2.4 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移1.2.5 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 1扩散扩散 2漂移漂移 载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。为扩散。扩散系数扩散系数D和和扩散长度扩散长度L载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。电子迁移率电子迁移率 1.

32、2 1.2 半导体的基础知识半导体的基础知识2 2漂移漂移 载流子受电场作用所发生的运动称为载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。漂移。电子电子迁移率迁移率 电子电流：电子电流：空穴电流：空穴电流：1.2.5载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第0101章章 光辐射探测的理论基础光辐射探测的理论基础 辐射度量学基础辐射度量学基础半导体基础半导体基础光电探测器概光电探测器概述述理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3 光电探测器概光电探测器概述述光电效应光电效应光热效应光热效应理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3 光电探

33、测器概光电探测器概述述光辐射光辐射 非传导电子非传导电子-传导电子传导电子光辐射光辐射-电信号电信号 (广义广义)光电探测器光电探测器:1.1.光探测器光探测器与与光电探测器光电探测器2.2.光电探测器的光电探测器的分类方法分类方法理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3 光电探测器概光电探测器概述述1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.3.2 1.3.2 光探测器的噪声光探测器的噪声1.3.3 1.3.3 光探测器的性能参数光探测器的性能参数1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应光电效应：光电效应：光电导效应、光伏效应、光电子发射效应光电导

34、效应、光伏效应、光电子发射效应、光子牵引效应和光磁电效应光子牵引效应和光磁电效应利用光电效应制成的光电探测器称为光子探利用光电效应制成的光电探测器称为光子探测器测器，如光电导探测器、光伏探测器、光电，如光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器等。子发射探测器等。1.3 光电探测器概光电探测器概述述理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.1.光电导效应光电导效应 2.2.光伏效应光伏效应3.3.光电发射效应光电发射效应4.4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律1.光电导效应光电导效应当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收当半导体材料受光照

35、时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为率变化，这种现象称为光电导效应光电导效应。非本征光电导效应非本征光电导效应 本征光电导效应本征光电导效应1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应(杂质光电导效应杂质光电导效应)杂质吸收杂质吸收 本征吸收本征吸收 1.光电导效应光电导效应 本征光电导本征光电导 暗电导率：暗电导率：亮电导率：亮电导率：光电导率：光电导率：光电导率的相对值：1.光电导效应光电导效应 本征光电导本征光电导 光电导率的相对值：要制成（相对）光电导高的器件，应该使n0和p0有较小数值。因此，

36、光电导器件一般是由高阻材料制成或者在低温下使用。1.光电导效应光电导效应 本征光电导本征光电导 光电导率：光电导率：非本征光电导非本征光电导 光电导率：光电导率：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.1.光电导效应光电导效应 2.2.光伏效应光伏效应3.3.光电发射效应光电发射效应4.4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律2.光伏效应光伏效应PN结结光 N P 一块半导体，一块半导体，P P区与区与N N区的交界面称为区的交界面称为PNPN结。结。PNPN结结受到光照时，可在受到光照时，可在PNPN结的两端产生电势差，这种现结的两端产生

37、电势差，这种现象则称为象则称为光伏效应光伏效应。1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1)PN1)PN结的形成结的形成 扩扩 散散 形成：离子区形成：离子区 耗尽区耗尽区 空间电荷区空间电荷区 阻挡层阻挡层 内建电场内建电场 (结电场结电场)浓度差异浓度差异E2.光伏效应光伏效应2.光伏效应光伏效应1)PN结的形成结的形成 漂漂 移移 内建电场内建电场 自建电场自建电场E E扩散与漂移扩散与漂移方向相反方向相反2.光伏效应光伏效应1)PN结的形成结的形成 扩散扩散=漂移漂移 平衡平衡 PNPN结结理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系2.光伏效应光伏效应1)PN1)P

38、N结的形成结的形成 （多子）扩散（多子）扩散 （少子）漂移（少子）漂移 浓度差异浓度差异内建电场内建电场2.光伏效应光伏效应2)PN结能带与势垒结能带与势垒 结合前结合前结合后结合后费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定一个平衡系统只能有一个一个平衡系统只能有一个费米能级费米能级 2.光伏效应光伏效应2)PN结能带与势垒结能带与势垒*E电场力电场力类比类比:小球滚上山坡小球滚上山坡速度方向速度方向重力分力重力分力mgh3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容2.光伏效应光伏效应偏压：偏压：外加在外加在PNPN结两端的

39、电压结两端的电压方向由方向由P P区指向区指向N N区区 正向电流：正向电流：正向偏压正向偏压:负离子数减少负离子数减少正离子数减少正离子数减少外加电场外加电场3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容 正向偏压正向偏压作用下，耗尽区宽度作用下，耗尽区宽度变小变小3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容电流方程：电流方程：正向偏压正向偏压 继续增大，耗尽层越来越薄继续增大，耗尽层越来越薄反向偏压反向偏压:负离子数增加负离子数增加正离子数增加正离子数增加外加电场外加电场3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、

40、耗尽区宽度与结电容 反向偏压反向偏压作用下，耗尽区宽度作用下，耗尽区宽度变大变大反向偏压反向偏压:负离子数增加负离子数增加正离子数增加正离子数增加外加电场外加电场3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容反向电流反向电流:数值较小？数值较小？3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容电流方程：电流方程：正向电流和反向电流：正向电流和反向电流：3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容耗尽区宽度：耗尽区宽度：单位面积单位面积结电容：结电容：减小结电容减小结电容对提高光伏器件的响应速度有重要的意义

41、！对提高光伏器件的响应速度有重要的意义！2.光伏效应光伏效应4)PN4)PN结光电效应结光电效应 平均扩散长度平均扩散长度 电子电子空穴对分离空穴对分离电子电子空穴对空穴对光光 照照光生电势差光生电势差 讨论：讨论：光电转换时间光电转换时间 光生电动势与光电流光生电动势与光电流 光电流方向光电流方向光生电动势方向光生电动势方向光电流方向光电流方向与普通与普通二极管电流相反二极管电流相反4)PN4)PN结光电效应结光电效应 光电流光电流 光照下光照下PNPN结的电流方程：结的电流方程：普通二极管电流普通二极管电流4)PN4)PN结光电效应结光电效应 2.光伏效应光伏效应思考题：思考题：PN结加正

42、向偏压，如何影响光伏效应？结加正向偏压，如何影响光伏效应？正向偏压：正向偏压：4)PN4)PN结光电效应结光电效应 结论：结论：PN结加正向偏压，不利于结区光生电子、结加正向偏压，不利于结区光生电子、空穴对的分离，光电效应空穴对的分离，光电效应不明显不明显。4)PN4)PN结光电效应结光电效应总总 结：结：光生电动势光生电动势光生电流（光电流）光生电流（光电流）正反向偏压对光电效应的影响正反向偏压对光电效应的影响光伏效应光伏效应光照下光照下PNPN结的电流方程结的电流方程4)PN4)PN结光电效应结光电效应PNPN结受到光照时，若入射光子能量结受到光照时，若入射光子能量大于材料禁带宽度，可在大

43、于材料禁带宽度，可在PNPN结结的两的两端产生端产生光生电势差光生电势差，这种现象则称，这种现象则称为光伏效应。为光伏效应。理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.1.光电导效应光电导效应 2.2.光伏效应光伏效应3.3.光电发射效应光电发射效应4.4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律3.光电发射效应光电发射效应金属或半导体受到光照时，电子从材料表面金属或半导体受到光照时，电子从材料表面逸出这一现象称为逸出这一现象称为光电发射效应光电发射效应。又称又称外光电效应外光电效应。逸出物质表面的电子。逸出物质表面的电子叫做叫做光电子

44、光电子。1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应3.光电发射效应光电发射效应1)1)爱因斯坦定律爱因斯坦定律 W-逸出功逸出功 截止波长截止波长（长波限）（长波限）光电发射光电发射本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收结论：结论：3.光电发射效应光电发射效应截止波长对比截止波长对比波长增大波长增大光电发射光电发射杂质吸收杂质吸收本征吸收本征吸收3.光电发射效应光电发射效应2)2)金属逸出功和半导体的发射阈值金属逸出功和半导体的发射阈值 金属逸出功金属逸出功:半导体发射阈值半导体发射阈值:基本概念：基本概念：真空能级真空能级E0 电磁真空中电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）

45、静止电子能量（体外自由电子最小能量）电子亲和势电子亲和势EA 真空能级与导带真空能级与导带底底能级之差称为电子亲和势能级之差称为电子亲和势 2)2)金属逸出功和半导体的发射阈值金属逸出功和半导体的发射阈值 电子亲和势电子亲和势 的物理意义？的物理意义？3.光电发射效应光电发射效应2)2)金属逸出功和半导体的发射阈值金属逸出功和半导体的发射阈值 金属逸出功金属逸出功:半导体发射阈值半导体发射阈值:理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.1.光电导效应光电导效应 2.2.光伏效应光伏效应3.3.光电发射效应光电发射效应4.4.光电转换的基本规律

46、光电转换的基本规律理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3.1 1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应4.4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律量子效率量子效率转换规律转换规律适应范围：适应范围：光子光子探测器探测器4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律量子效率：量子效率：原因：原因：反射、透射、散射等反射、透射、散射等 探测器类型（）光电导探测器（本征）60光电导探测器（非本征）30光伏探测器60光电子发射探测器10 量子效率量子效率进一步分析：进一步分析：距表面位置距表面位置x处处x的长的长度内，单位时间度内，单位时间吸收吸收的的光子数为：光子数为：单位体积内电子空穴

47、对的产生率（单位体积内电子空穴对的产生率（m3s1）4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律 量子效率量子效率进一步分析：进一步分析：单位体积内电子空穴单位体积内电子空穴对的产生率（对的产生率（m3s1）x方向的电流密度（方向的电流密度（A/m2）为）为 4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律 量子效率量子效率进一步分析：进一步分析：x方向的电流密度（方向的电流密度（A/m2）为）为 4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律 量子效率量子效率进一步分析：进一步分析：提高量子效率：提高量子效率：反射率反射率r低，低，吸收系数吸收系数大，大，吸收厚长度吸收厚长度lx要大要大例如，在探测器入射面镀

48、上高透射率的例如，在探测器入射面镀上高透射率的抗反射层抗反射层；利用微型谐振腔的光场谐振以利用微型谐振腔的光场谐振以增强吸收增强吸收等。等。中科院中科院已研制出量子效率高达已研制出量子效率高达85.6GaN基基PIN结构紫外探测器结构紫外探测器 4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律 光子探测器光子探测器光电转换基本规律：光电转换基本规律：（1 1）光电流与入射光平均功率成正比）光电流与入射光平均功率成正比（2 2）光电流与光电场强度的平方成正比）光电流与光电场强度的平方成正比 光子探测器为光子探测器为平方律器件平方律器件4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律 光照时每产生一个光电子，光照

49、时每产生一个光电子，在探测器的外电路中都输出在探测器的外电路中都输出一个电子一个电子 外电路中单位时间内输出的外电路中单位时间内输出的电子数大于甚至远大于单位电子数大于甚至远大于单位时间内产生的光电子数时间内产生的光电子数光电增益光电增益M 4.光电转换的基本规律光电转换的基本规律光电增益光电增益M比较：比较：光电增益光电增益 与与 量子效率量子效率理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系1.3 光电探测器概光电探测器概述述1.3.1 半导体的光电效应半导体的光电效应1.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1.3.3 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数理学院理学院 光电子与物理

50、学系光电子与物理学系1.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1.3 光电探测器概光电探测器概述述噪声噪声的基本概念的基本概念噪声噪声的表示方法的表示方法探测器噪声分类探测器噪声分类理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系信号平均值处有信号平均值处有随机随机起伏含有起伏含有噪声噪声 例如：例如：放音机的噪声放音机的噪声激光器的噪声激光器的噪声1.3.2 1.3.2 光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声噪声的基本概念的基本概念噪声噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理影响信号（特别是弱信号）的测量和处理用均方噪声用均方噪声 多个噪声源多个噪声源（互不相关）（互不相关）1.3.2 1.3