光电检测器件工作原理及特性.ppt

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 38nm 0 78nm 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 反射通量 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 光谱辐射度量 辐射量的光谱密度 1 光谱辐射通量光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量 总的辐射通量 全色辐射通量 2 光谱辐射出射度 3 光谱辐射强度 4 光谱辐射亮度 5 光谱辐照度 它们与总辐射度量值之间的关系 四 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出 光视函数取1时 辐射度量与光度量的比值 2 发光强度I光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量 单位 砍德拉cd 3 光出射度M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2lm m2 4 光照度E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 砍德拉 米2cd m2 6 光量Q光通量对时间的积分 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 固体材料按其电阻率分为三类 固体电阻率10 6 10 3 cm绝缘体电阻率1012 cm以上半导体电阻率10 3 1012 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 EnergyLevel 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 EnergyBand 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 ForbiddenBand 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 ValenceBand 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 ConductionBand 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少数载流子 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多数载流子 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 光与物质作用 2 3光电检测器件的物理基础 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 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 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hv Eg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 光电导 亮电导与暗电导之差光电流 亮电流与暗电流之差暗态下 亮态下 亮态与暗态之差 光致电导率的变化量 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 矩形光照脉冲时 上升时间常数 r 光生载流子浓度从零增长到稳态值63 时所需的时间 下降时间常数 f 从停光前稳态值衰减到37 时所需的时间 正弦光照时 光生载流子浓度 n0 中频时非平衡载流子浓度 圆频率 2 f 非平衡载流子平均寿命 在这里称时间常数 n随 的增加而减小 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 减小电极之间的距离 从而既可减小载流子的有效极间渡越时间 也有利于提高灵敏度 光电导增益与带宽之积为一常数 光电导增益与带宽成反比关系 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 3 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P N势垒降低 结电流P N 光电流N P 3 PN结电流方程 I 总电流Ip 光生电流Is PN结反向饱和电流V PN结两端电压 包括外加电压 光生电压 开路电压 I 0 负载时的电压 光电流 短路电流 V 0 光伏器件的响应速度比光电导器件快 4 光热效应某些物质在受到光照射后 由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应 1 热释电效应光辐射强度变化 物质温度变化 自发辐射极化强度变化 表面的电荷面密度温度 极化强度 电荷面密度 响应速度快 弛豫时间约10 12s 2 辐射热计效应入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象称为测辐射热计效应 为电阻温度系数 金属 半导体 3 温差效应两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差 就有可能在两结点间产生电动势 称为温差电效应 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 光电检测器件的特点 响应波长有选择响应快1 有关响应方面的特性参数响应度 光谱响应度 积分响应度 响应时间 频率响应 2 4光电检测器件的特性参数 1 响应度 或称灵敏度 定义为光电检测器输出电压V0或输出电流I0与入射光功率P 或通量 之比 2 光谱响应度光电检测器的输出电压或输出电流与入射到检测器上的单色辐通量 光通量 之比 电压响应度 电流响应度 光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所产生的检测器的输出电压 或电流 它的值愈大意味着检测器愈灵敏 3 积分响应度积分响应度表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度 总通量 光电流 积分响应度 不同的辐射源 或不同色温的同一辐射源所发生的光谱量分布也不同 因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温 4 响应时间当入射辐射到光电检测器后或入射辐射遮断后 光电检测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间 上升时间 10 90 tr下降时间 90 10 tf 5 频率响应光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应 S f 频率为f时的响应度 S0 为频率是零时的响应度 为时间常数 等于RC 上限截止频率 2 有关噪声方面的参数