[理学]第一章 光电检测应用中的基础知识.ppt

第一章 光电检测应用中的基础知识,辐射度量与光度量 半导体物理基础 基本定律 光电检测器件的特性参数,1.1辐射度量和光度量,一、光的基本性质 波粒二象性 17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 1860年Maxwell的电磁理论建立，光也是一种电磁波,电磁波的范围很广，波长从几个皮米到数千米 光波波长区间约从几个纳米到1毫米左右 可见光：0.38um0.78um,光波波速 其中v是光波频率,n为介质折射率 电磁理论能很好的解释光的反射、折射、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收、散射和色散。 1900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 波动性光的传播 量子性与物质的相互作用,二、光辐射度量 辐射是一种能的形式。 光源一般指发光的物体。分为天然光源和人造光源。 辐射能可以转换为其他形式的能量，从而可以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。 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、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。,1、辐射能Qe 以辐射的形式发射、传播或接收的能量 单位：焦耳 （J） 2、辐射能密度we 光源在单位体积内的辐射能,单位：焦耳/米3（J/m3）,3、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,单位：瓦（W）,4、辐射强度Ie 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,单位：瓦/球面度（W/Sr),5、辐射出射度Me（辐射发射度） 辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率,单位：瓦/米2（W/m2),6、辐射亮度 Le 由辐射表面定向发射的辐射强度,单位：瓦/（米2.球面度（W/（m2.Sr）,7、辐照度 Ee 单位面积内所接收到的辐射通量,单位：瓦/米2（W/m2）,三、光度量 光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 （视见函数）来描述。,1、光通量 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,在波长555nm时，光视函数取1时，辐射度量与光度量的比值。,2、发光强度 Iv 光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量,单位：坎德拉 cd,3、光出射度 Mv 光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量,单位：流明/米2 lm/m2,4、光照度 Ev 被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量,单位：勒克斯 lx,点光源照明时的照度,垂直照明时：,5、光亮度 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上的正投影面积之比,单位：坎德拉/米2 cd/m2,1.1.3 其他基本概念,1. 点源 从强度为 I的点源辐射到立体角 d 的通量为d = Id 若点源沿各方向均匀辐射，则总通量为 = 4I 当点源照射一个小面元 dA 时，若面元 dA 的法线与 dA 到点源连线 r的夹角为 ，则照到 dA上的通量为d = IdAcos/r2 根据照度的定义，得该面元上的照度为E =d/dA=I cos/r2 这就是照度与距离 r之间的平方反比定律。仅当光源极小或极远时，平方反比定律才能 成立，这时才能把辐射源看作点源。,2. 扩展源 朗伯源的亮度不随方向而改变，即其上单位投影面积辐射到单位立体角内的功率，不随此立体角在空间的取向而改变，因而从任何角度观察朗伯源应该是一样明亮的。朗伯源又称为余弦辐射体。因为亮度 L与 无关，则该面元在d内辐射的通量与方向角 的余弦成正比。一个面积为 dS的朗伯源，在立体角 d 内辐射的通量为d = LcosdSd 假设此朗伯源为不透明物质，其辐射通量仅仅分布在半球空间内，则d =rdrsin d/r2= sin dd 所以此面源的总辐通量为 根据辐出度的定义，可得朗伯源的辐出度与辐亮度的关系，即 M =/dS= L,3. 漫反射面 用 MgO 或 BaSO4 粉末压制成的表面、积雪、牛奶和无光白纸等，都可以把入射光向各方向均匀地射散出去。这种反射表面称为漫反射表面或散射面。 假设投射到表面积 dS的漫反射表面上的照度为 E，则该面所接受的光通量为di= EdS 设该表面的漫反射系数为 K，则该表面散射的光通量为ds= Kdi 因为漫反射面把入射光沿所有方向散射出去，所以可当作朗伯反射面处理，于是有ds= LdS式中，Ls称为该表面的视亮度。 Ls=KE/良好的朗伯反射面不论从任何角度去观察，具有大致相同的亮度。当漫射系数 K1时，在白光照射下，朗伯反射体看起来仍是白色的。乳白玻璃可以把入射光向空间各方向散不是仅仅向半球空间散射，所以其视亮度为Ls=KE/2,4. 定向辐射体 从成像光学仪器发出的光束，一般都集中在一定的立体角内，其辐射有一定的方向性。为了与余弦辐射体相区别，称它为定向辐射体。最典型的定向辐射源是激光器。激光器的光束截面 S很小，约为 1 mm2；而光束又高度平行，发散角约为 2=6 10-4rad，相应的立体角 约为 10-6sr。由于光束的指向与S垂直，故 cos =1。假设功率为 10 mW 的激光器，其辐亮度为 L = /（S cos） 1010W /（srm2） 而太阳的辐亮度只有 3 108W /（srm2）。,辐射度量与光度量 半导体物理基础 基本定律 光电检测器件的特性参数,固体材料按其电阻率分为三类： 导体 电阻率 10-610-3.cm 绝缘体 电阻率 1012.cm以上 半导体 电阻率 10-31012.cm 常见半导体材料：元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体、固熔体半导体、有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等。,1.2半导体物理基础,一、半导体的特性 1、半导体的电阻温度系数一般为负，对 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显著的变化。 3、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。,二、能带理论 1、原子能级与晶体能级 1）能级（Energy Level） 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。 用一条条高低不同的水平线表示电子的能级,2）能带（Energy Band） 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。 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。,3）禁带（Forbidden Band） 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。 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。 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。,4）价带（Valence Band） 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。 5）导带（Conduction Band） 价带以上能量最低的允许带称为导带。 导带的底能级 Ec 价带的顶能级 Ev 禁带 Eg= Ec- Ev,6）载流子 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，这种电流的载体称为载流子(carrier)。 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电的空穴。 导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料的导电性能。,绝缘体 半导体 导体,2、本征半导体与杂质半导体 1）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，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小 。,2）杂质半导体 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。 3）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，从而显著地影响半导体的电导率。,N型半导体 P型半导体,N型半导体与P型半导体的比较,3、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 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 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，激发和复合相平衡，称为热平衡状态,4、非平衡载流子 1）激发和复合 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。 浓度用 表示。,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，n和 p增大，复合率上升，直到达到新的平衡。 光照停止时，n和 p减小，复合率下降，再次达到平衡。 2）复合与非平衡载流子寿命 三种复合机制：直接复合 通过复合中心复合 表面复合 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 中心间接复合包括四种情况： 电子从导带落入到复合中心称电子俘获； 电子从复合中心落入价带称空穴俘获； 电子从复合中心被激发到导带称电子发射； 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 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存 在时间。,表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。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的效果有直接关系。的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。,5、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 电器件的工作基础。 光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：,1）本征吸收 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。 本征吸收的条件：入射光子的能量（hv）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即,从而有,材料的频率阈值,材料的波长阈值,几种重要半导体材料的波长阈值,2）非本征吸收 主要有四种： 杂质吸收 自由载流子吸收 激子吸收 晶格吸收 （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。 （3）激子吸收 能产生激子的光吸收称为激子吸收 吸收光谱密集于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。,6、载流子的输运 热平衡时平均定向速度为零。 非平衡时载流子的运动形式主要有： 扩散运动 漂移运动 1）扩散运动 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。 扩散电流 扩散运动主要是多数载流子,扩散运动示意图,2）漂移运动 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。 漂移电流 漂移运动主要是少数载流子,辐射度量与光度量 半导体物理基础 基本定律 光电检测器件的特性参数,1. 基尔霍夫辐射定律 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即 式中为黑体的单色辐射出射度。,2. 普朗克公式 黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。 令 ， ，则(1.3-4)式可改写为 第一辐射常数， 第二辐射常数。,对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。,图4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布,3.斯忒藩-玻尔兹曼定律 (1.3-9) 其中 为斯忒藩-玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。 4.维恩位移定律 单色辐射出射度最大值对应的波长,光与物质作用,1.3.2 光电效应,光电效应,光热效应,外光电效应,内光电效应,热释电效应,温差电效应,辐射热计效应,1、光电导效应 光照变化引起半导体材料电学性质变化的 现象称光电导效应。 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。 1873年发现光电导效应。 分为本征光电导效应和非本征光电导效应。,1)本征光电导效应 当光子能量 hvEg时,可产生本征光电导。,稳态光电导 暗态：半导体无光照时 亮态 ：有光照时 暗电导、亮电导、暗电流、亮电流,2）光电导的弛豫过程 光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,3）光电导增益 长度为L的光电导体在两端加上电压U后， 由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。,为器件的时间响应； tdr载流子在两极间渡越时间。,4）杂质光电导效应,为杂质的电离能很小。为了避免热激发的载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数杂质半导体光电导器件都必须工作在低温状态，因此在使用中常将光电器件放在装有制冷剂的容器中。,2、光生伏特效应 光照使不均匀半导体或半导体与金属组合 的不同部位之间产生电位差的现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。 1）热平衡下的PN结 热平衡下，单纯的N型和P型半导体模型及能带图：,PN结模型及能带图：,结区内形成一个由N指向P的电场，称为内建电场。该电场形成势垒，使能级发生弯曲。,2）光照下的PN结 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。,N区边界积累光生电子 P区边界积累光生空穴 产生光生电场 PN 势垒降低,结电流 PN；光电流 NP,3、光电发射效应 外光电效应主要是光电发射效应。指当光 照射到物体上使物体向真空中发射电子 。 它是真空光电器件光电阴极的物理基础。,1）外光电效应基本定律 （1）光电发射第一定律斯托列夫定律 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：,Ik：光电流 Sk：光强 F0：该阴极对入射光线的灵敏度,（2）光电发射第二定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：,Emax：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数。 v0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。 A：金属电子的逸出功，也称功函数，单位eV。,波长阈值,光电发射效应具有瞬时性。 延迟时间不超过3x10-13s，具有很高的频率响应。,4）半导体的光电发射 电子亲和势：真空能级与价带能级之差。 材料本身、杂质、表面对半导体能级影响都很大，一般P型半导体的电子亲和势较小。 实用光阴极几乎全采用P型半导体材料作为衬底，然后在它的表面涂上带正电性的金属或者N型材料而制成。,2）光电发射的过程（三步） 电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 受激电子向表面运动，与电子、晶格碰撞，损失部分能量。 达到表面的电子，若有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,3）金属的光电发射 逸出深度很浅 几个nm 逸出功 3eV 可见光（410nm）能量小于3eV，难以产生光电发射。 铯（2eV的逸出功）对可见光灵敏，但量子效率很低（0.1%）,辐射度量与光度量 半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数,1、有关噪声方面的参数 1）光电检测器件的噪声 热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、闪烁噪声等。 （1）热噪声（约翰逊噪声） 热噪声即载流子无规则的热运动造成的噪声。,热噪声电压： 热噪声电流：,散粒噪声也是白噪声。 （3）产生-复合噪声 载流子的产生率和复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏，从而导致载流子浓度的起伏，产生均方噪声电流。,（2）散粒噪声（散弹噪声） 穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。,当2f1时，,此时为白噪声。,（4）闪烁噪声（1/f噪声，低频噪声） 光敏层的微粒不均匀或有不必要的微量杂质存在，当电流流过上时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。,闪烁噪声：,上述各种噪声源的功率谱分布可用图表示。由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间频率范围时，产生 复合噪声比较显著；当频率较高时，只有白噪声占主导地位，其他噪声影响很小。,2）衡量噪声的参数 信噪比、等效噪声输入、噪声等效功率、 暗电流等。 （1）信噪比（S/N） 在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比 。,分贝（即dB）表示,（2）等效噪声输入（NEI） 器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方根 信号电流恰好等于均方根噪声电流时的输入通量。 输入通量以瓦或流明表示。 （3）噪声等效功率（NEP，最小可探测功率Pmin) S/N=1时，入射到探测器件上的辐射通量（瓦）,NEP越小，噪声越小，器件性能越好。,（4）暗电流Is 光电检测器件在没有输入信