第一章光电检测技术基础

第一章光电检测技术基础第1页，课件共101页，创作于2023年2月

光电检测技术第一章光电检测技术基础第二章光电检测器件

第三章热电检测器件

第五章光电成像器件

第四章发光与耦合器件第七章光电检测器件的电路设计

第六章显示器件第2页，课件共101页，创作于2023年2月3本章着重介绍三个主要内容：

一、辐射量和光度量的定义及它们之间的换算关系；

二、半导体光电器件的物理基础，如能带理论、PN结理论；

三、光电效应,如半导体光电导效应和光电发射等。这些是以后各章所述具体光电器件的理论基础，对于正确理解和掌握各种光电器件的原理、性能和用法是十分重要的。第一章光电检测技术基础第3页，课件共101页，创作于2023年2月§1-1

光谱与光子能量§1-2

光度学(Photometry)

与辐射度学(Radiometry)§1-3

半导体基础知识§1-4

光电效应

第一章光电检测技术基础第4页，课件共101页，创作于2023年2月§1-1

光谱与光子能量

一、光的主要性质

二、电磁波谱与光谱

三、光电检测的理论依据第5页，课件共101页，创作于2023年2月6

光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1.1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。证明了光在传播时表现出波动性。

一、光的主要性质：2.1900年普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射表现为光的发射、吸收、色散、散射

3.1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。第6页，课件共101页，创作于2023年2月7

麦克斯韦

麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一自然科学的理论成果，奠定了现代的电力工业、电子工业的基础。

1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。

（1831-1879）

第7页，课件共101页，创作于2023年2月8

麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程，麦克斯韦方程组的微分形式是E—电场强度B—磁场强度c—真空中的光速t—时间J—电流密度

ρ—电荷密度curl—旋度

div—散度

（1831-1879）

第一个方程表示磁场对位移电流密度（或电场的时间变化率）和传导电流密度（或电荷的运动速度）的依赖关系。第二个方程是法拉第感应定律。第三个方程表明除电源外，没有其它磁场源。第四个方程相当于库仑定律。第8页，课件共101页，创作于2023年2月9

在第一个方程中，项麦克斯韦称为位移电流，这是他在理论上的一个重大发现，也是他建立麦克斯韦方程组的关键。

麦克斯韦方程组表明:空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡,即电磁波。

麦克斯韦方程还说明:电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，这个速度可表示为：

μ—介质的磁导率，ε—介电常数或电容率由此式可证明电磁波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合，是由于光和电磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。

（1831-1879）

第9页，课件共101页，创作于2023年2月10（1858-1947）

1、引入了著名的普朗克常数h。

对黑体辐射的研究发现了热物体辐射强度正比于它的绝对温度，而反比于这个发射光线波长的平方：

ρ(ν)＝(8πhν2/c3)·(1/ehν/KT-1)

其中引入了一个常数h，后来被称为普朗克常数。1900年10月19日他在德国物理学会上报告了自己的成果，普朗克公式被认为是正确的普遍公式。普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来，经典物理学的所有理论和方法他都试过了，但都失败了。他从失败中认识到这个公式不能单纯从经典理论中推导出来。普朗克第10页，课件共101页，创作于2023年2月11（1858-1947）

2、提出了能量子假说。

能量子假说的提出，给经典物理学打开了一个缺口，为量子物理学安放了一块奠基石，宣告量子物理学的诞生。普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。

1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。

普朗克第11页，课件共101页，创作于2023年2月12（1858-1947）

3、能量子假说。

黑体是由许多振子组成的，振子的能量不可以连续地变化，当它吸收和辐射频率为ν的电磁波时只能是一份一份地进行，每份能量为：E＝hν，每个振子的能量是这个基本能量单元的整数倍。他根据这个假设从理论上推导出了普朗克公式。普朗克第12页，课件共101页，创作于2023年2月13（1879-1955）

普朗克的量子假说提出后的几年内，并未引起人们的兴趣，爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说，并从中得到了重要启示：在现有的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。为了解释光电效应，1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说。

爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E＝hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p＝E/c＝h/λ

列别捷夫（П.Н.Лебедевl866—1911）的光压实验证实了光的动量和能量的关系式。

爱因斯坦

第13页，课件共101页，创作于2023年2月14（1879-1955）

实验：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能从金属表面打这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。爱因斯坦

第14页，课件共101页，创作于2023年2月15（1879-1955）

实验：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能从金属表面打出按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。1925年因此获得诺贝尔物理学奖爱因斯坦

第15页，课件共101页，创作于2023年2月16

光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1.1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。证明了光在传播时表现出波动性。

一、光的主要性质：2.1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射表现为光的发射、吸收、色散、散射

3.1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性。第16页，课件共101页，创作于2023年2月17电磁波谱及光谱图

二、电磁波谱与光谱：太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间.THz,一百万兆Hz第17页，课件共101页，创作于2023年2月18电磁波谱及光谱图

1.电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。

二、电磁波谱与光谱：2.光电检测技术只涉及光学区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。3.使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。第18页，课件共101页，创作于2023年2月19

1.上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），

等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。

三、光电检测的理论依据：2.光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。

光子能量公式：光子动量公式：h：普郎克常数第19页，课件共101页，创作于2023年2月§1-1

光谱与光子能量

一、光的主要性质

二、电磁波谱与光谱

三、光电检测的理论依据第20页，课件共101页，创作于2023年2月21§1-2

光度学(Photometry)

与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表常用光谱辐射量一览表辐通量的光谱分布接收器的光谱响应V(λ)称为视见函数第21页，课件共101页，创作于2023年2月22光电系统——光能的传递和接收系统。辐射——一种能的形式。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，规定用下标v和e表示。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标光度学——研究对可见光的能量的计算方法学。它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。

辐射度学——适用于整个电磁波谱的能量计算方法学。主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。第22页，课件共101页，创作于2023年2月23§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)名称符号定义单位辐[射]能光能量QeQv以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。

焦[耳](J)流[明]秒(lm·s)

辐[射能]通量

光通量

Φe

Φv

以辐射形式发射、传播或接收的功率。发光强度为Ιv的光源，在立体角元dΩ内的辐通量，dΦv=Ιv·dΩ。

瓦[特](W)流[明](lm)辐[射]出[射]度

光出射度Μe

Μv

离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。

离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。

瓦每平方米

(W·m-2)流[明]每平方米(lm·m-2)辐[射]照度

[光]照度

Εe

Ev

照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。

照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。

瓦每平方米

(W·m-2)勒[克斯](lx)常用辐射量和光度量一览表

第23页，课件共101页，创作于2023年2月24§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表(续前)

名称符号定义单位辐[射]强度

发光强度

Ιe

Ιv

在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为540×1012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度Ιe=1/683W·sr-1时，规定为1cd。

瓦每球面度

(W·sr-1)坎[德拉](cd)辐射亮度

[光]亮度

Le

Lv表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。

瓦每球面度平

方米(W·sr-1·m-2)坎[德拉]每平方米(cd·m-2)

曝光量

H光照度对时间的积分。

勒[克斯]秒

(lx·s)第24页，课件共101页，创作于2023年2月25§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)常用光谱辐射量一览表第25页，课件共101页，创作于2023年2月26§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)辐通量的光谱分布

辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。辐通量的光谱分布曲线

第26页，课件共101页，创作于2023年2月27§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)

如图，给定波长λ0处极小波长间隔dλ内的辐通量dΦe称为单色辐通量。

Φeλ=dΦe/dλ，Φeλ称为光谱辐通量。

单色辐通量的积分为：

此式中Φe称为多色辐通量。

此式中Φe称为（全色）辐通量。辐通量的光谱分布曲线

第27页，课件共101页，创作于2023年2月28§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)接收器的光谱响应1、许多接收器所能感受的波长是有选择性的。2、接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。3、对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即

K(λ)=Φvλ/Φeλ

由于人眼在频率为540×1012Hz(λm=555nm，该波长称为峰值波长)的辐射下，K(λ)最大，记以Km，Km=683lm·W-1。4、对于某给定波长下的Km，定义光谱光视效率V(λ)为

V(λ)=K(λ)/Km第28页，课件共101页，创作于2023年2月29§1-2

光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)V(λ)又称为视见函数根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列于下图：光谱光视效率V(λ)曲线

1.图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉V(λ)曲线；2.虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉V(λ)曲线。3.对于暗视觉，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。4.所有光度计量均以明视觉的K(λ)为基础。第29页，课件共101页，创作于2023年2月30§1-2

光度学(Photometry)

与辐射度学(Radiometry)常用辐射量和光度量一览表常用光谱辐射量一览表辐通量的光谱分布接收器的光谱响应V(λ)称为视见函数第30页，课件共101页，创作于2023年2月§1-1

光谱与光子能量§1-2

光度学(Photometry)

与辐射度学(Radiometry)§1-3

半导体基础知识

§1-4

光电效应

第31页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第32页，课件共101页，创作于2023年2月能带理论1．原子能级2．晶体能带晶体本征半导体杂质半导体P型半导体N型半导体第33页，课件共101页，创作于2023年2月34§1-3

半导体基础知识

能带理论1．原子能级能级（EnegyLevel）：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的电子。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。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。第34页，课件共101页，创作于2023年2月35§1-3

半导体基础知识

能带理论2．晶体能带能带（EnegyBand）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离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，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。第35页，课件共101页，创作于2023年2月36§1-3

半导体基础知识

能带理论电子共有化，能级扩展为能带示意图

a)单个原子

b)N个原子原子能带的表示方法第36页，课件共101页，创作于2023年2月37§1-3

半导体基础知识

能带理论不同材料的能带表示a)绝缘体b)半导体c)金属电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。第37页，课件共101页，创作于2023年2月38§1-3

半导体基础知识

能带理论晶体

1、现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体。

2、晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。

3、晶体分为单晶与多晶：

晶体实物图单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。第38页，课件共101页，创作于2023年2月39§1-3

半导体基础知识

能带理论

晶体构造示意图(a)金刚石结构（Ge、Si晶体）

(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）第39页，课件共101页，创作于2023年2月40§1-3

半导体基础知识

能带理论本征半导体1、结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。2、本征硅中，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n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni。3、ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。4、室温下硅的ni约为1010/cm3。第40页，课件共101页，创作于2023年2月41§1-3

半导体基础知识

能带理论杂质半导体1、半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。2、杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。3、在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。第41页，课件共101页，创作于2023年2月42§1-3

半导体基础知识

能带理论N型半导体1、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。2、在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。3、易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。4、N型半导体由施主控制材料导电性。第42页，课件共101页，创作于2023年2月43§1-3

半导体基础知识

能带理论N型半导体1、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。2、在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。3、易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。4、N型半导体由施主控制材料导电性。第43页，课件共101页，创作于2023年2月44§1-3

半导体基础知识

能带理论P型半导体1、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。2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。3、容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，

EA与Ev间能量差称为受主电离能。4、P型半导体由受主控制材料导电性。第44页，课件共101页，创作于2023年2月45§1-3

半导体基础知识

能带理论P型半导体1、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。2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。3、容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，

EA与Ev间能量差称为受主电离能。4、P型半导体由受主控制材料导电性。第45页，课件共101页，创作于2023年2月46§1-3

半导体基础知识

能带理论N型半导体与P型半导体的比较半导体所掺杂质多数载流子(多子)少数载流子(少子)特性N型施主杂质电子空穴电子浓度nn≥空穴浓度pnP型受主杂质空穴电子电子浓度np≤空穴浓度pp第46页，课件共101页，创作于2023年2月47能带理论N型半导体与P型半导体的比较杂质硅的原子图象和能带图

a)N型半导体

b)P型半导体§1-3

半导体基础知识

第47页，课件共101页，创作于2023年2月48§1-3

半导体基础知识

能带理论掺杂对半导体导电性能的影响的理论解释

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，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。第48页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第49页，课件共101页，创作于2023年2月50§1-3

半导体基础知识

热平衡态下的载流子热平衡状态

1、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。

2、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，同时在价带中出现自由空穴。

3、在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。

4、在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。第50页，课件共101页，创作于2023年2月51§1-3

半导体基础知识

热平衡态下的载流子热平衡状态时的载流子浓度

热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：1、在能带中能态（或能级）的分布。2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。

第51页，课件共101页，创作于2023年2月52§1-3

半导体基础知识

热平衡态下的载流子能态分布规律1、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。2、在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即：f(E)：费米分布函数，能量E的概率分布函数k：波耳兹曼常数，1.38×10-23J/KT：绝对温度EF：费米能级第52页，课件共101页，创作于2023年2月53§1-3

半导体基础知识

热平衡态下的载流子能态分布规律中的几个结论1、EF为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。2、当E=EF时，f(E)=1/2，它并不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。3、在量子统计中EF应视为固体中电子的化学势。常温下EF随材料掺杂程度而变化。费米-狄拉克函数曲线

第53页，课件共101页，创作于2023年2月54§1-3

半导体基础知识

热平衡态下的载流子电子占据的概率的能带表述以EF来定性表示两能带中载流子的浓度

a)重掺杂P型

b)轻掺杂P型

c)本征型d)轻掺杂N型

e)重掺杂N型第54页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第55页，课件共101页，创作于2023年2月56非平衡载流子的概念1、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。2、载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。

电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。第56页，课件共101页，创作于2023年2月57非平衡载流子的概念产生—使非平衡载流子浓度增加的运动产生率—单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目复合—使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合复合率—单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目

非平衡载流子寿命τ—非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，τ小表示复合快，τ大表示复合慢。采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。τ的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。第57页，课件共101页，创作于2023年2月58以N型半导体为例，说明在非平衡状态下载流子浓度nn：N型半导体中多数载流子电子的浓度pn：N型半导体中少数载流子空穴的浓度nn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度pn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度Δnn：非平衡载流子电子的浓度Δpn：非平衡载流子空穴的浓度nn＝nn0+Δnnpn＝pn0+ΔpnΔnn≈Δpn第58页，课件共101页，创作于2023年2月59以N型半导体为例，说明在非平衡状态下载流子浓度光注入分为强光注入与弱光注入满足

nnpn»nn0pn0＝ni2

nn0<Δnn＝Δpn条件的注入称为强光注入；满足

nnpn>nn0pn0＝ni2

nn0>Δnn＝Δpn条件的注入称为弱光注入。对于弱光注入有：

nn=nn0+Δnn≈nn0

pn=pn0+Δpn≈Δpn第59页，课件共101页，创作于2023年2月60以N型半导体为例，说明在非平衡状态下载流子浓度例如：一N型硅片，室温下，nn0=5.5×1015cm-3，pn0=3.5×104cm-3；弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此时非平衡载流子浓度

nn=nn0+Δnn=1015+1010≈1015cm-3

pn=pn0+Δpn=104+1010≈1010cm-3受影响最大的是少子浓度，可认为一切半导体光电器件对光的响应都是少子行为。第60页，课件共101页，创作于2023年2月61复合机制

直接复合—导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。间接复合—通过复合中心复合。复合中心—禁带中杂质及缺陷。电子俘获—电子从导带落入到复合中心称电子俘获。空穴俘获—电子从复合中心落入价带称空穴俘获。电子发射—电子从复合中心被激发到导带称电子发射。空穴发射—电子从价带被激发到复合中心

1—电子俘获

2—空穴俘获

3—电子发射

4—空穴发射第61页，课件共101页，创作于2023年2月62表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，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。第62页，课件共101页，创作于2023年2月63光注入过程的机制1、在光照过程中，产生与复合同时存在。2、在恒定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合率也随非平衡载流子的增加而增加，直至二者相等，系统达到新的平衡。3、当光照停止，光致产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大于产生率，使非平衡载流子浓度逐渐减少，复合率随之下降，直至复合率等于热致的产生率时，非平衡载流子浓度将为零，系统恢复热平衡状态。第63页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第64页，课件共101页，创作于2023年2月65§1-3

半导体基础知识

载流子的运动载流子运动的概念1、电子在晶体中的运动与气体分子的热运动类似。2、当没有外加电场时，电子作无规则运动，其平均定向速度为零。3、一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。4、漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。第65页，课件共101页，创作于2023年2月66§1-3

半导体基础知识

载流子的运动载流子漂移1、载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。2、在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿,半导体会偏离欧姆定律。3、在弱电场作用下，半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律。4、讨论漂移运动的重要参量：

迁移率μ（电子迁移率μn，空穴迁移率μp），μ的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。

第66页，课件共101页，创作于2023年2月67§1-3

半导体基础知识

载流子的运动载流子扩散1、载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。2、光注入时，光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。3、受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。第67页，课件共101页，创作于2023年2月68§1-3

半导体基础知识

载流子的运动载流子漂移与扩散的并存1、在半导体既受光照，又外加电场时，扩散与漂移同时存在。2、扩散系数D（D表示扩散的难易）与迁移率μ（μ表示迁移的快慢）之间有爱因斯坦关系式：D=(kT/q)μkT/q室温下为0.026V，D与μ成正比。

3、电子与空穴沿x轴扩散，但Dn≠Dp，故它们引起的扩散流不能抵消。在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献。4、在扩散时，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。

第68页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第69页，课件共101页，创作于2023年2月70半导体对光的吸收半导体光电器件的工作基础1、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。2、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：Ix=I0(1-r)e-αx

Ix：距离表面x处的光强

I0：入射光强

r：材料表面的反射率α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关

光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收第70页，课件共101页，创作于2023年2月71§1-3

半导体基础知识

半导体对光的吸收半导体的光本征吸收1、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，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。2、产生本征吸收的条件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即

hν≥Eg从而有ν0≥Eg/hλ0≤h/Eg=1.24μm·eV/Egh：普朗克常数c：光速ν0：材料的频率阈值λ0：材料的波长阈值第71页，课件共101页，创作于2023年2月72§1-3

半导体基础知识

半导体对光的吸收几种重要半导体材料的波长阈值材料温度/KEg/eVλ/μm材料温度/KEg/eVλ/μmSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1Gap3002.240.55PbS2950.432.9

第72页，课件共101页，创作于2023年2月73§1-3

半导体基础知识

半导体对光的吸收半导体的光非本征吸收

非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。

1、杂质吸收：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），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。2、自由载流子吸收：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。

第73页，课件共101页，创作于2023年2月74§1-3

半导体基础知识

半导体对光的吸收半导体的光非本征吸收3、激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。4、晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。半导体对光的吸收主要是本征吸收第74页，课件共101页，创作于2023年2月§1-3

半导体基础知识

能带理论热平衡态下的载流子非平衡态下的载流子载流子的运动半导体对光的吸收第75页，课件共101页，创作于2023年2月§1-4

光电效应

第76页，课件共101页，创作于2023年2月77§1-4

光电效应

光电效应的定义与分类光电效应的定义

因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。

本世纪最伟大的科学家之一爱因斯坦以他在1905年发表的相对论而闻名于世，而他在1925年获得诺贝尔奖是由于他对发现光电效应的贡献。

第77页，课件共101页，创作于2023年2月78（1879-1955）

实验：微弱紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能从金属表面打出电子。按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。1925年因此获得诺贝尔物理学奖爱因斯坦

第78页，课件共101页，创作于2023年2月79光电效应的定义与分类光电效应的分类内光电效应

光电导效应：电导率发生变化

光伏效应：产生光电势外光电效应

光电发射效应：当光照射到物体上使物体向真空中发射电子§1-4

光电效应

第79页，课件共101页，创作于2023年2月80光电导效应光电导效应的定义1、光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。2、当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。§1-4

光电效应

第80页，课件共101页，创作于2023年2月81光电导效应稳态光电流本征半导体光电导效应图

1、半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导。

2、有光照时为亮态，此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。

3、亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。

§1-4

光电效应

第81页，课件共101页，创作于2023年2月82光电导效应稳态光电流暗态下：

Gd=σd·A/L,

Id=GdU=σd·AU/L亮态下：

Gl=σl·A/L,

Il=GlU=σl·AU/L亮态与暗态之差

Gp=Gl-Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il-Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/LA：半导体材料横截面面积L：半导体材料长度I：电流U：外加电压

G：电导σ：电导率Δσ：光致电导率变化量，下标d代表暗，l代表亮，p代表光。灵敏度一般指单位照度所引起的光电流量

§1-4

光电效应

第82页，课件共101页，创作于2023年2月83光电导效应光电导弛豫过程1、电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。

2、对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数τr和下降时间常数τf来描述弛豫过程的长短。τr表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%(1-1/e)时所需的时间，τf表示从停光前稳态值衰减到37%(1/e)时所需的时间。§1-4

光电效应

第83页，课件共101页，创作于2023年2月84光电导效应光电导弛豫过程一般来说，材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的，材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料带宽宽，则光电灵敏度低。此结论对光电效应现象有普遍性。§1-4

光电效应

第84页，课件共101页，创作于2023年2月85光生伏效应光生伏效应的定义1、光照变化引起均匀或不均匀半导体材料中光生电子和空穴分开而产生电位差的现象称光生伏效应。2、在不均匀半导体中，主要由势垒效应产生

的光生伏效应。3、在均匀半导体中，无法形成势垒效应，主要由光生载流子浓度梯度产生的光生伏效应。§1-4

光电效应

第85页，课件共101页，创作于2023年2月86光生伏效应由势垒效应产生的光生伏效应§1-4

光电效应

N型半导体与P型半导体的比较杂质硅的原子图象和能带图

a)N型半导体

b)P型半导体第86页，课件共101页，创作于2023年2月87光生伏效应由势垒效应产生的光生伏效应1、N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。2、当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。3、产生内建电场，方向为从N区指向P区。§1-4

光电效应

第87页，课件共101页，创作于2023年2月88光生伏效应由势垒效应产生的光生伏效应4、在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。5.光照时,P区光生电子(少子)向结区扩散,N区光生空穴(少子)向结区扩散,PN结内建电场将P区光生电子拉向N区,将N区光生空穴拉向P区,形成与内建电场相反的光生电动势.§1-4

光电效应

第88页，课件共101页，创作于2023年2月89光生伏效应光生载流子浓度梯度产生的光生伏效应1、当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。2、光生载流子