光电子复习参考第4章.ppt

1.光电探测器主要利用哪些物理效应哪些属于外光电效应哪些属于内光电效应,§4.1 光电探测器的物理效应 凡是把光辐射量转换为电量的光探测器，都称为光电探测器。 光电转换的实现主要是利用物理效应 光子效应 光热效应 光电磁效应 在每一类中又分为若干细目，详细分类见讲义表4-1。,光子效应分类 ① 外光电效应 光电发射效应 ② 内光电效应 光电导效应，光伏效应， 光电磁效应。,2.何为光子效应其物理实质、特点及分类是什么利用光子效应制作的探测器有哪些,1 光子效应 定 义单光子对产生的光电子起直接作用的光电效应。 物理实质 光子直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子效应的特点 ① 光子能量大小, 直接影响内部电子状态改变的大小； ② 光子能量为hυ，光子效应对光波频率表现出选择性； ③ 在光子直接与电子作用下，响应速度一般较快。,探测器见书106页表,光电管，光电倍增管，像增强管，光导管或光敏电阻，光电池，光电二极管，雪崩光电二极管，肖特基势垒光电二极管，光电磁探测器，光子牵引探测器,3.何为光电发射效应其数学表达式及物理意义是什么光电发射效应产生的条件是什么利用光电发射效应制作的探测器有哪些,（1）光电发射效应（外光电效应） ①定义在光照下，物体向表面的外空间发射电子（光 电子）的现象称为光电发射效应。 ②数字表达式著名爱因斯坦方程描述了光电发射效应. 或 其中 电子离开发射体表面时的动能， m电子质量， 电子离开时的速度， 光子能量， 光电发射体的功函数（逸出功），从材料表面 逸出时所需的最低能量。,,,,,,,,,,,③爱因斯坦方程的物理意义 如果发射体内的电子吸收的光子能量大于 发射体功函数的值， 电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。,,,,,,,,,,,④ 光电子发射效应产生的条件 式中 〉 表示电子逸出表面的速度大于零; 表示电子以零速度逸出，即静止在发射 表面上； 产生光电发射的入射光波的截止频率。 如用波长表示，则为,,,,,,,,,,,,,,,因为 ， -- 产生光电发射的入射光截止波长 （普朗克常数） 所以 可见 小的发射体，需要 大的光辐射产生光电发射； 大的发射体，需要 小的光辐射产生光电发射。,,,,,,,,,,,,,,探测器光电管,4.何为光电导效应利用光电导效应制作的探测器有哪些,（2）内光电效应 当光照射物体时，光电子不逸出体外的光电效应 ① 光电导效应 光电导效应只发生在半导体材料中，金属没有光电导效应。 * 金属导电由于金属原子形成晶体时，产生大量的自由电子， 自由电子的浓度 n常数，不受外界因素影响。 * 半 导 体在 0oK 温度时，导电载流子浓度 0； 在 0oK 温度时，由于热激发产生载流子（电子、 空穴），在扩散过程中又受到复合作用而消失。,,,在热平衡条件下，单位时间内 热生载流子产生数目因复合而消失的数目 因此，在热平衡下，导带和价带维持着一定数目的电子和空 穴浓度，它们的平均寿命分别表示为 和 。 在外电场 E 作用下，载流子产生漂移运动，载流子的迁移 速率μ定义如下 式中V--外加电压；L--半导体的长度；υ--漂移速度。,,,因为载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述，所以定义半导体的电导率 半导体的截面积是A，则其电导G（热平衡暗电导）为 所以半导体的暗电阻为 若入射光波长满足如下条件 本征半导体 掺杂半导体,,,,,,,,,,,,,,则光子在半导体中激发出新的载流子电子和空穴. 即在原来热平衡载流子浓度值上，增加了Δn、Δp, 称其为非平衡载流子，亦称为光生载流子。 显然，在无光照射时，常温下的样品具有一定的热 激发载流子浓度，因而样品具有一定的暗电导率，其表 达式为 光照射后，产生光生载流子，则光照稳定情况下的 电导率为,,,,,,,∴ 光电导率为 ∴ 光电导则为 上式也可变为 N型杂质 P 型杂质,,,,,,,对本征情况，如果 式中 N --光辐射每秒钟产生的电子-空穴对数目， AL --半导体体积 ， ， ---电子和空穴的平均寿命。 所以，本征光电导为 其中eN---光辐射每秒钟激发的电荷量 由于光电导的增益ΔG，使外回路产生电流增益Δi 式中V是外电压。,,,,,,,,从上式可见，电流增量Δi并不等于每秒钟激光发射的电荷量eN，于是定义 M -- 光电导体的电流增益。 对n型半导体 电子在外电场作用下，渡越半导体长度 L 所 花费的时间，称为渡越时间。 当 时，M 1，就有电流增益效果。,,,,,,,,,探测器光导管或光敏电阻,5.何为光伏效应（结合pn结图示说明）请画图说明短路光电流是如何产生的并推导出其数学表达式。,②光伏效应 光电导效应是半导体材料的体效应， 光伏效应则是半导体材料的“结”效应。 实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 由于所用材料不同，内部电势垒可以是半导体p-n结势垒，金属与半导体接触的肖特基势垒，以及异质结势垒等等。 本节主要讨论 p-n 结的光伏效应的原理。,,,,,,,,p-n结的特性 * 在零偏状态下 n 型材料中， ， p型材料中， ； 在 p-n 结处，空穴向 n 区、电子向 p 区扩散运动；p 区留下带负电的电离受主，n 区留下带正电的电离施主； 正负粒子在结区附近形成空间电荷区，称为耗尽区；区内存在一电场为内建电建，方向由 n 到 p; 在内建电场作用下,载流子出现漂移运动，电子由p到n区，空穴由n到p区; 漂移运动方向与扩散运动方向相反，在结区建立了相对稳定的内建电场; 此时没有静电流流过pn结。P-n结两端无电压，为零偏状态。,,,* 在正偏状态下 由于耗尽区的电阻远比体电阻大，外加电压V几乎全部降 落在耗尽层上，势垒高度降低到 ，空间电荷变窄。 扩散与漂移的关系被破坏， 扩散电流增加，外加电路 中形成正向电流，能级图 如图所示。,,,* 在反偏状态下 当p-n结反向偏置时，施加的电压方向与自建电场的方向 相同，势垒高度增 加 ，空 间电荷区增宽。扩 散与漂移的关系被 破坏，漂移电流占 主导地位，能级图 如下所示。,,,,* 无光照的 PN 结伏安特性曲线 在无光照时，p-n 结的伏安特性为 式中 ---暗电流， ---反向饱和电流， u ---结端偏置电压， e ---电子电荷量， ---波尔兹曼常数， T ---绝对温度。,,,,,,,,,* 光伏效应 在零偏时，若照射光的波长满足 ----零偏时p-n结的自建电场强度 设 光由p区入射，在p区激发出电子空穴对。 因光生空穴对 p 区空穴浓度影响小，光生电子对 p 区电子浓度的影响大，则从 p 区表面向 p 区内自然形成电子扩散趋势。,,,,,,,,,若 p 区的厚度小于电子的扩散长度，则大部分光生电子都能扩散进入 p-n 结。 一旦电子进入 p-n 结，就立刻被内电场 扫向 n 区。 这样，光生电子空穴对就被内电场分离出来，空穴留在 p 区，电子通过扩散流向 n 区。此时，用电压表就能量出 p 区正，n 区负的开路电压。 光照零偏 p-n 结产生开路电压的效应，称为光生伏特效应。,,,,,,,,如果用理想电流表接通p-n结，则有电流通过，称为短路光电流 （p-n结的零偏电阻） 如图所示为p-n结的 伏安特性曲线与光电二 极管的伏安特性曲线。 由曲线可以看出 光照零偏p-n结，产生开路光电压光电池工作原理， 光照反偏p-n结，有光电流结型光电探测器工作原理,,,1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。 假定 * 光生电子-空穴对在 p-n结的结区---耗尽区内产生。 * 内电场Ei的作用，电子向n区、空穴向P区漂移运动， * 光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流 ，称为短路光电流 。,,,,,,,,,6.请画出pn结光伏探测器的等效电路图，并写出光照下pn结的电流方程，画出其伏安特性曲线，并说明该曲线的特点，请说明利用光伏效应制作的探测器有哪些，分别工作在伏安特性曲线图中的那个区域,§4.5 光伏探测器 光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别 ① 产生光电变换的部位不同 光电导探测器是均值型，光照任何部分电导都增大; 光伏探测器是结型，只有结区附近光产生光伏效应. ② 光电导探测器没有极性，工作必须外加偏压; 光伏探测器有正负极，不需外电压也进行光电转换.,③ 光电导探测器主要依赖于非平衡载流子的多子产生复 合运动，弛豫时间长，响应速度慢，频率响应性能较 差。 光伏探测器主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂 移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应时间 特性好。 相同点 都是利用内光电效应。,1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。 假定 * 光生电子-空穴对在 p-n结的结区---耗尽区内产生。 * 内电场Ei的作用，电子向n区、空穴向P区漂移运动， * 光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流 ，称为短路光电流 。,,,,,,,,,就光电子形成的过程，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况，可以把光电导探测器光电转换关系式进行改写 改写后为 式中 ，是光伏探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。 除了Q 项外，光伏和光导的其它物理量都可以用一种形式描述。,,,,,,,,,一个光生电子-空穴对所贡献的总电荷量 Q 是多少 在耗尽区中 X 处产生的光生电子-空穴对，空穴向左漂移 X 距离到达 p 区，电子向右漂移（L-X）距离到达 n 区。 空穴和电子的漂 移时间分别为 tp 和 tn，则空穴和电子电 流脉冲的强度分别为 和 。,,,,,,,,则空穴和电所贡献的电荷量为 因此，一个电子一空穴对所贡献的总电荷量为 所以 这个结果表明，光伏探测器的内电流增益 Mn1，这是和光电导探测器明显不同的地方。,,,,,,,,2.光伏探测器的工作模式 ⑴ 两种工作模式 当光照射 p-n 结时 * 入射光子能量大于材料禁带宽度； * 在结区产生电子-空穴对； * 非平衡载流子在内建电场的作用下,分别向 n 区和p 区运动，产生光生电压， * 只要光照不停止，光生电压将永远存在，其大小与 p-n 结的性质及光照度有关。,结型光电器件在有光照条件下，可以使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实际证明 ① 正偏置单向导电性普通二级管,无光电效应产生; ② 零偏置p-n结无外加电压，产生光伏效应，光伏工作模式； ③ 反偏置无光照时，电阻很大，电流很小, 有光照时，电阻变小，电流变大， 流过的光电流随照度变化而变化，与光敏电阻一样， 光电导工作模式。但二者的工作机理不同。 因此，结型光电器件可选用两种工作模式 零偏置 反偏置,⑵ 光照下p-n结的电流方程 光照射p-n结时，在p-n结内出现方向相反的电流，分别是 ① 光激发产生电子-空穴对，在内建电场作用下，形成光生电 流 ，大小与光照有关，方向与p-n结反向饱和电流相同； ② 上述作用的结果，在n区聚集大量的电子而带负电，在 p 区 聚大量的空穴而带正电， 在p区和n区之间产生了电 势，形成光生电动势，这 相当于，p-n 结上施加正 向偏置电压，从而产生正 向电流 ，其方向与 相反。,,,因此，一个p-n结光伏探测器就等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）的并联，其工作模式则由外偏压回路决定。 光电池符号和等效电路如图所示，式中i 是流过探测器的总电流。 已知 所以,,,⑶ 光伏探测器的伏安特性 上式中的i-u曲线，即光伏探测器的伏安特性曲线。,,,,,,,,,① 第一象限正偏电压状态 本来就很大， 光电流不起作用，作为光电探 测器，在这一区域没有意义； ② 第三象限为反偏状态 当p0 时， ，称为暗电流，数值很小； 当 p≠0 时，流过探测器的主要电流是光电流， 为 ，这对应于光电导工作模式，称为光电二极 管，其外回路特性与光电导探测器相似。,,,,,,,,③ 第四象限为零偏状态 表现出明显的非线性。此时流过探测器的电流仍 为反向电流，而结电压为正。 说明器件已成为电池向负载输出功率，所以称此 时的光伏探测器为光电池。 结电压就是光生电压，是电流为零的开路电压， 电压为零时的电流为短路电流。,,,,,,,,7.由光伏探测器的I-V曲线，如何求出光电池的最佳负载电阻和最佳输出功率,⑵ 输出功率和最佳负载电阻 ① 输出功率 在 0 RL ∞ 时，硅光电池就有电输出功率。根据等效电路图，就可以写出其输出功率一般表达式 输出电流为 所以,,,,,,,② 最佳负载电阻 由上面的推导看出， 与i有一定的关系，而i与 有关，当 RL 变化时 RL ∞ ---→ RL 0 时， 则有 ---→ , 显然，只有在某一负载电阻下，才能有最大的电输出功率。 设 当 时， 特定照射功率条件下的最佳负载电阻。 它也是入射光功率的函数， 所以，定义光电池的转换效率 硅光电池的实际转换效率一般为10 15,,,,,,,,,,,,③ 和 图解表示法 利用光电池的伏安特性曲线，可以十分直观地了解光电池的功率输出特性。如图所示,,,,,,,,,,,,,OH 的负载线 H 负载线与一定光功率下的伏安特性曲线的交点 OH负载线的斜率 因为 ，所以 围成的矩形面积就是在特定光功率下、负载为 时的光电池的输出功率。 当 RL 变化时，矩形面积亦变化， 亦随之改变.,,,,,,,,,,,,,最佳负载电阻 Rm 的图解求法 ① 当照射功率确定时，过开路电压 及短路 电流 作伏安特性曲线的切线，两切线相交 于Q 点, ② 连接 OQ，与伏安特性曲线相交 m 点，则得 到 ， 对应有,,,,,,,,由图中看出 ① 围成的矩形面积最大; ② 在I区， ，当RL 减小时,输出电压大幅度变 化，输出电流变化不大; ③ 在Ⅱ区， ，当RL 增大时,输出电流大幅度变 化，输出电压变化不大; 所以，在实际应用中，可根据需要确定 RL 值。,,,,,,,,8.硅光电二级管 与光电池有哪些异同点画出硅光电二极管光电变换的伏安特性曲线分析其有哪些特点，并有伏安特性曲线分析当Vb或RL不变时，其信号输出有哪些变化。,⑵ 光电变换的伏安特性分析 光电二级管是一种以光导模式工作的光伏探测器，其工作区域的伏安特性曲线如图所示。 为了符合人们通常的观察习惯，将 I 和 V 方向倒转，变成以第一象限的位置表示第三象限的伏安特性，如图所示。,其特点是 * 一组以输入光功率为参量的曲线族； * 电压较小时曲线呈弯曲状，随着电压的增大曲线逐渐 平直，中间有一转折点 M，其所对应的电压称拐点电 压，用VM 表示; * 当电压高于拐点电压时（VVM），各曲线间逐渐近似 平行，此区域称为恒流区。即随着工作电压的改变， 光电流几乎不变。光电流只随入射光通量的增大而增 加。 因此，硅光二极管的输出电流由输入光功率控制。,① 图解分析法确定参数 图中给出了反偏电压下硅光电二极管的基本电路。 其中 Vb反向电压, Vo负载两端的输出电压， RL负载电阻, I 流过负载的电流， 与输入光功率有关。 光电二极管两端电压为 VI Vb – IRL,,,,,* I-V 图上负载线Vb -- Vb/RL 直线，斜率 * 若光功率为Po，则交点 Q 为输入电路的静态工作点； * 当输入光由 Po 改变为 时，在 RL 上会产生 的电压信号输出,以及 的电流信号输出。,,,,,通过图解法可以很清楚地分析电路参数 RL 和 Vb 对输出信号的影响。 例如,,,,（a 当Vb不变时， 光功率变化 * RL-→越小，输出信号的电流变化大，电压变化小。 但是，受到器件允许的最大工作电流和功耗的限制。 * RL----变大时，输出信号电压提高了。 但是，过大的 RL 会使负载线越过拐点 M 进入非线 性区，使输出信号的波形发生畸变。 要使输出信号电压最大、波形不发生畸变，其负载线必定通过拐点 M 和工作偏压 Vb 点的连线。,,,b 当 RL 值相同时 RL 值相同时，负载线平行。 当偏置电压 Vb 值增加，使输出信号电压的幅值增大，线性度得到改善。 但是，电路的功耗随之增大，过大的偏压会引起硅光电二极管的反向击穿。 在选择负载电阻 RL 和偏置电压Vb 的值时， 应根据输入光功率的变 化范围和输出信号的幅 度要求决定。,9.简述光电转换定律，并说明探测器量子效率的物理意义是什么,1 光电转换定律 光电探测器的任务就是完成光电转换； 光辐射量 --→ 光电探测器 --→ 光电流量 Pt it Pt--- 光通量光功率, 光子流，其最小单位光子 it--- 光生电流，光生电荷的时变量，最小单位电荷 e 因此有 --- 光子数， E --- 光能量 --- 电子数, --- 光生电荷时变量 上式中的所有的变量都应理解为统计平均量。,,,,,,与 成正比，引入比例系数可写成等式 由此可得到 其中D --- 探测器的光电转换因子。 --- 探测器的量子效率， （单位时间内一个光子激发的电子数） 它是探测器物理性质的函数。 利用上面的关系有,,,,,,,这就是基本的光电转换定律，它表明 ① 光电探测器对入射功率的响应为光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。 ② 因为光功率 p 正比于光电场的平方，故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。,,,,,,,5 量子效率η 灵敏度 R 从宏观角度描述光电探测器的光电、光谱及频率特性 量子效率η则是对同一个问题的微观与宏观间的描述。 因为 所以， 所以， 量子效率正比于灵敏度，反比于波长。,,,,,,