第光电检测技术基础..ppt

济南大学物理科学与技术学院,1,第二章光电检测技术基础,济南大学物理科学与技术学院,2,2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量（雷2.1）2.3半导体基础知识（雷2.2）2.4光电效应（雷2.3）,主要内容,济南大学物理科学与技术学院,3,2.1光的基本性质,牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波,济南大学物理科学与技术学院,6,光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性,济南大学物理科学与技术学院,7,2.2辐射度和光度量的基本物理量,辐射是一种能的形式，它有电磁本质，又具有量子性质。辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量。光度量是光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量，即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度，但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。,附：立体角知识：,思考：整个球面的立体角是多少？,辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳J辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr,一光的辐射度量，下标“e”,单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有,辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr,济南大学物理科学与技术学院,13,辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2辐射出射度e：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2,辐射亮度e：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Sr,式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度米2,光谱辐射通量（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。,二光谱辐射度量（辐射量的光谱密度），下标“”,光谱辐射出射度,光谱辐照度,光谱辐射强度,光谱辐射亮度,济南大学物理科学与技术学院,16,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,济南大学物理科学与技术学院,17,大量的光源是作为照明用途，照明光源的特性只用前面所述的一些能量参数来描述是不够的，因为能量参数并没有考虑到人眼的作用。由于照明的效果最终是以人眼来评定，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述。,三光度量下标为,济南大学物理科学与技术学院,18,视见函数（光谱光视效率）V（）是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率（或称视见函数），表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别。对于明视觉，对应为辐射通量e（555）与某波长能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量e（）的比值。,另一定义：在引起相同的视觉响应条件下，若光波长为的光所需要的光辐射功率为P()，而对光波长为555nm的光（人眼对此波长的光最敏感）所需要的光辐射功率为P(555)，则定义V()=P(555)/P()为波长的视见函数,V()=e(555)/e(),光通量v：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。单位：流明lm。,Km是最大光谱光视效能（常数）,对于555nm的明视觉，Km=683lm/W.,Km是最大光谱光视效能（常数）,对于555nm的明视觉，Km=683lm/W.,光通量,光谱辐射通量,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（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。该光源发出频率为540*1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W/Sr。光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯lx（lm/m2），相当于1平方米面积上接受到1个流明的光通量。光出射度：lm/m2,光亮度：cd/m2，坎德拉每平方米,济南大学物理科学与技术学院,24,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。,济南大学物理科学与技术学院,25,晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx,济南大学物理科学与技术学院,26,2.2半导体基础知识,导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结金属与半导体接触,济南大学物理科学与技术学院,27,2.2.1导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。电阻率10-610-3欧姆厘米范围内导体电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间半导体,济南大学物理科学与技术学院,28,2.2.2半导体的特性,半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。如，纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆厘米)。掺杂物质不同，可得到不同导电类型的半导体。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。,济南大学物理科学与技术学院,29,常见的半导体元素半导体：硅、锗、硒等；化合物半导体：砷化钾、硫化镉等；氧化物半导体：氧化亚铜等；有机半导体，玻璃半导体，稀土半导体，熔体半导体可以制作热敏器件、光电器件、场效应器件等，以及各种二极管、三极管、集成电路等。,济南大学物理科学与技术学院,30,2.2.3能带理论,原子中电子三个特点：1.电子绕核运动，具有完全确定能量；2.由于微观粒子的波粒二象性，“轨道”指电子出现几率最大的区域；3.遵循泡利不相容原理；,电子能级概念,能带理论（半导体物理的理论基础）,济南大学物理科学与技术学院,31,晶体中电子的能带晶体：原子以一定周期重复排列所构成的物体。晶体中，原子相距很近，不同原子的电子轨道会发生交迭，导致电子可以由一个原子转移到另一个原子上，成为整个晶体共有的电子，这叫做电子的共有化。只有能量相同的量子态之间才会发生电子转移。电子共有化造成了电子能级不同程度的分裂，分裂后的能级相差很小，分布在一定区域；能带：能量区域中密集的能级称为“能带”。,济南大学物理科学与技术学院,32,能带中的能级相差很小，可以看作是连续的。,济南大学物理科学与技术学院,33,价带：共价键结合的晶体中，由于刚好填满相对应的能级，能量最高的价数填满的能带称为价带。导带：价带以上的能带都是空带，能量最低的空带叫做导带。禁带：价带和导带之间的区域。,济南大学物理科学与技术学院,34,注意：能带与原子能级的对应关系并不单纯，能带图并不实际存在。只是用来着重说明电子能量分布情况。,济南大学物理科学与技术学院,35,2.2.4半导体的导电机制晶体中电子运动状态的改变、发生跃迁，一般需满足两个条件：具有能向电子提供能量的外界作用，电子要跃迁的那个能级是空的（泡利不相容原理）。,导电类型：,导带中电子导电,价带中空穴导电,济南大学物理科学与技术学院,36,导带电子导电：导带中存在空能级，在外加电场影响下，导带中的电子跃迁到空能级中，产生定向移动的电子，形成电流。价带空穴导电：价带中一般是填满的，电子运动状态无法改变，不能形成电流；在外界作用下，价带中的电子跃迁到导带，电子留下空位（称为空穴）。在电场作用下，临近电子跃入到空穴后，又产生新的空穴，其它电子又可以跃入到新空穴中，形成了电子的定向移动，有电流产生。由于空穴的运动与电子移动方向相反，相当于正电粒子。载流子：电子和空穴,济南大学物理科学与技术学院,37,2.2.5本征半导体和杂质半导体,本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。（无导电能力）有外界作用时，由于禁带宽度较小，价带电子可直接激发跃迁到导带，本征半导体有导电能力了。载流子只由本征激发产生，导带电子和价带空穴数目相同。特性,1本征半导体,晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性由所含杂质和缺陷决定。这是因为：在杂质和缺陷附近可形成束缚电子态。杂质原子能级与晶体原子能级不同，杂质的能级可以在晶体能级的禁带中。即束缚态的能量一般处在禁带中。,2杂质半导体,济南大学物理科学与技术学院,39,在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。（族元素：磷、砷、锑等）受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。（族元素：硼、铝、钾、铟等）电离：施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跃迁到导带（或价带）的过程成为电离。,济南大学物理科学与技术学院,40,n型半导体中，电子多于空穴，电子被称为多数载流子。p型半导体中，电子少于空穴，空穴被称为多数载流子。,济南大学物理科学与技术学院,41,2.2.6平衡和非平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。,济南大学物理科学与技术学院,42,非平衡载流子的产生,光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。,济南大学物理科学与技术学院,43,载流子的输运过程,扩散浓度不均匀漂移外部电场的作用复合：a.直接复合，自由电子和自由电子和自由空穴直接复合b.间接复合，杂质能级（禁带中的深能级）作为复合中心,济南大学物理科学与技术学院,44,2.2.7半导体对光的吸收,物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发,济南大学物理科学与技术学院,45,济南大学物理科学与技术学院,46,杂质吸收和自由载流子吸收,引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。,电离能,杂质吸收的长波限,济南大学物理科学与技术学院,47,2.2.8PN结,将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。,济南大学物理科学与技术学院,48,（1）热平衡下的PN结：热平衡时，扩散流等于漂移流,其中，VD为接触电势差或内建电势，它是结区出现的电势差。,称为势垒高度。,热平衡过程实际上将P型半导体和N型半导体的两个费米能级拉平了。,（2）非热平衡下的PN结：非热平衡时，载流子浓度乘积,非平衡状态下电子和空穴的费米能级，称之为准费米能级。,V=0:平衡态V0:PN结上加正向电压VWs形成表面势垒势垒区电子浓度比体内小得多高阻区(阻挡层)。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。,若WmWs，能带向上弯曲，形成P型反阻挡层。,金属与p型半导体接触时，若WmWs，形成空穴的表面势垒。在势垒区，空间电荷主要由电离受主形成，空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成P型阻挡层。,上述金半接触模型即为Schottky模型：,济南大学物理科学与技术学院,65,2.3光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。光电效应包括：外光电效应和内光电效应。,济南大学物理科学与技术学院,66,外光电效应：物体受光照后向外发射电子多