光电效应ppt课件

.,1,2.3光电探测器的物理效应,光电效应,2,.,光电检测技术是光电技术中最核心的部分，是专门研究用光电的方法进行各种检测、变换、处理的原理和方法的技术。它包括各类光电传感检测器件、检测电路及其与微机接口、光电信号各种变换形式及各种检测技术与方法等。,光电检测技术简介,光电检测技术是以激光、光纤等现代光电子器件作为基础，光电检测器接收被检测物体的光辐射并将其转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。,3,.,光电检测技术简介,4,.,光电检测技术简介,5,.,光电检测技术简介,6,.,光电检测技术简介,7,.,光电检测技术简介,按工作波段分：紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器,光电检测器件分类,按应用来分：换能器将光能转换成电能探测器将光信号转换成电信号非成像型：光电倍增管、光敏二极管成像型：CCD,.,8,一、光热效应和光电效应（光子效应）概述,光电探测器的物理效应通常分为两大类：光电效应和光热效应。,光电效应：是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类物理效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。所以，光电效应就对光波频率表现出选择性，由于光子直接与电子相互作用，其响应速度一般比较快。,9,.,光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。,1、光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。理论上，光热效应对光波频率没有选择性。2、在红外波段上，材料吸收率高，光热效应更强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。3、温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。,特点：,10,.,确切给光电效应一个定义：某些物质在辐射作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：产生的原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；产生的结果：光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。,二、光电效应（光子效应）,11,.,光电效应分类,光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。外光电效应光电发射效应光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应光磁效应,12,.,外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应,是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。,13,.,A.光电发射效应在光照下，物体向表面以外空间发射电子(即光电子)的现象，称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体。具有能量h的光子，被物质（金属）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。,14,.,1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律）,当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极所吸收的光通量k成正比，即Ik=Skk式中，Sk是表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式是用光电探测器件进行光度测量，光电转换的一个最重要的依据。,15,.,2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律）爱因斯坦方程式：式中是电子离开发射体表面时的动能，v是电子离开时的速度。h是光子能量。是光电发射体的功函数。,物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子的能量h大于发射体的功函数的值，那么电子就能以一定的速度从发射体表面逸出。,16,.,光电发射效应发生的条件为：用波长表示时有：c和c分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。,功函数小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。,3、光电发射的红限,17,.,4、光电发射的瞬时性,表现：光电发射的延迟时间不超过3*10-13s的数量级。原因：光电发射过程不牵扯到电子在原子内迁移到亚稳态能级的物理过程。,18,.,5、光电发射过程,（1）光电子吸收光子以后产生激发，即得到能量（2）得到光子能量的电子（受激电子）从发射体向真空界面运动（电子传输）（3）到达界面的受激电子越过表面势垒向真空逸出,19,.,光电管,工作原理：碱金属（如钾、钠、铯等）作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开。,应用-光电管,20,.,应用-光电倍增管,21,.,B.光电导效应,光电导效应发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。,当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大,这种现象称为光电导效应。,在热平衡条件下，半导体材料具有确定的电导率，它由平衡载流子浓度及其迁移率所决定。,22,.,1、光电导体的灵敏度,灵敏度：在一定光强下，光电导的强弱,23,.,表示方法（2）,使用光电增益G表示,1、非平衡载流子寿命越长，迁移率越大，光电导的灵敏度就越高。2、光电导体的灵敏度与电极间距L的平方成反比。,24,.,2、光电导的弛豫,光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是弛豫时间。从实际应用将讲，其决定了在迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失过程。,25,.,光电导的两种类型,1、直线性光电导：光电导与光强成线性关系，如Si,Ge,PbO等材料；（低光强下）2、抛物线性光电导：光电导与光强的平方根成正比。（高光强下）,称为光电转换因子。对于直线性光电导体材料而言，其值为1；对于抛物线性光电导材料而言，其值为1/2,26,.,公式计算可得出，在t=时，光电流上升到饱和值的（1-1/e），或下降到饱和值的1/e。定义t=为光电流的弛豫时间,增益：,27,.,光电导效应有本征型和非本征型之分。当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率的增加，这就是本征光电导效应。若光子能量激发杂质半导体中的施主或者受主，使它们产生电离，产生光生自由电子或自由空穴，从而引起材料电导率的增加，这种现象就是非本征光电导效应。,3、光电导的光谱分布,28,.,（1）本征光电导的光谱分布,29,.,特点光谱响应波长比本征光电导的长适用范围：红外波段适用温度：低温光电导效应比本征光电导弱,（2）杂质光电导的光谱分布,30,.,4、应用-光敏电阻,31,.,32,.,C.光生伏特效应,光伏效应：光照使半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，即将光能转化成电能。不均匀半导体：由于半导体对光的吸收，内建电场使载流子定向运动而产生电位差。（像PN结、异质结、肖特基结）均匀半导体：无内建电场，半导体对光的吸收后，由于载流子的扩散速度不同，导致电荷分开，产生的光生电势。如丹倍效应和光磁电效应。,.,33,p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn结。,利用控制杂质分布的工艺方法来实现pn结,1、PN结,34,.,N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在交界面处形成正负电荷的积累。,35,.,内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。,36,.,PN结：P型区到N型区之间的过渡区域,37,.,内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。,38,.,热平衡下，多数载流子（n侧的电子和p侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（n侧的空穴和p侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过p-n结。用电压表量不出p-n结两端有电压，称为零偏状态。,39,.,热平衡下的PN结,平衡后：J扩=J漂,VD平衡pn结空间电荷区两端间的电势差，称为pn结的接触电势差或内建电势差,qVD相应的电子电势能之差，即能带的弯曲量，称为pn结的势垒高度,势垒高度补偿了n区和p区的费米能级之差，使平衡pn结的费米能级处处相等。,40,.,平衡pn结中能带弯曲,41,.,pn结平衡时特点,势垒区内电子（空穴）的扩散和漂移抵消整个pn结出现统一的费米能级能带弯曲P区向下，N区向上,42,.,非平衡p-n结（a外加电压时）,正向偏置(p区接正，n区接负),正向偏压时pn结势垒的变化,外加正偏压基本落在势垒区势垒区宽度,43,.,p-n结正向偏置时，有较大正向电流通过p-n结。,44,.,反偏时的p-n结(P,N),势垒区漂移扩散,45,.,p-n结反向电压偏置(p区接负，n区接正)：,有一很小的反向电流通过p-n结，这个电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。,46,.,A、外加正向电压：内外电场方向相反阻挡层变簿内电场减弱扩散运动加强漂移运动减弱扩散电流形成的正向电流大（多子运动），外加电压对正向电流有很强的控制作用。B、外加反向电压:内外电场方向相同阻挡层变厚内电场增强扩散运动减弱漂移运动增强漂移电流形成的反向电流小（少子运动），且反向电流基本不随外加电压而变，但随温度变化大。,47,.,p-n结的伏安特性为：,id：(指无光照)暗电流is：是反向饱和电流e：电子电荷量，u：偏置电压（正向偏置为正，反向偏置为负）K：波尔兹曼常数T：绝对温度,48,.,在零偏条件下如果照射光的波长满足条件,那么，无论光照n区或p区，都会激发出光生电子空穴对。,非平衡p-n结（b受光照时）,49,.,光照下，电压表就能量出p区正n区负的开路电压u0。如果用一个理想电流表接通p-n结，则有电流i0通过，称为短路光电流。,光照零偏p-n结产生开路电压的效应称为光伏效应。它光电池的工作原理。,50,.,光照度越强，光生电动势也就越大。当PN结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不停止，这个电流就不会消失。注意：PN结产生光生伏特的条件是，与照射光的强度无关；光生伏特的大小与照射光的强度成正比。,光伏效应,51,.,2、异质结,同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长不同半导体材料形成的结。异质结的构成，不只限于两种不同的半导体材料，还可以有金属、绝缘体与半导体构成的结构也可成异质结。如Ge-GaAs、ZnS-Pt、ZnSeAl-Au、Ge-Si、GaAlAs-GaAs等。,52,.,根据半导体单晶材料的导电类型,反型：p-nGe-GaAs或(p)Ge-(n)GaAs,n-pGe-GaAs或(n)Ge-(p)GaAs,等,同型：n-nGe-GaAs或(n)Ge-(n)GaAs,p-pGe-GaAs或(p)Ge-(p)GaAs,等,53,.,54,.,I-V特性：,式中：K1与K2为U在1，2两种材料上的分配系数,正向电流随外加电压V的变化近似于指数规律,55,.,半导体超晶格,一种人造材料，由交替生长的两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程。,生长超晶格的技术,MBE,MOCVD,理想超晶格结构,56,.,金属和半导体的功函数,金属功函数:真空中静止电子的能量(真空能级）E0与金属的EF能量之差，即,3、肖特基势垒金属和半导体接触时，出现与PN结类似的接触势垒肖特基势垒,57,.,Wm表示一个能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的能量最小值。,Wm越大,金属对电子的束缚越强,58,.,半导体功函数:真空中静止电子的能量（真空能级）E0与半导体的EF能量之差，即,Ws与杂质浓度有关,电子的亲合能,59,.,金n型半接触，WmWs时，在半导体表面形成一个高阻区域，叫阻挡层。,金n型半接触，WmWs时，在半导体表面形成一个高电导的区域，叫反阻挡层。,金p型半接触，情况正相反,60,.,金属半导体接触,整流接触肖特基势垒,欧姆接触：当金属与半导体的功函数相同时，接触后没有电荷转移，接触区无电场，不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，电压-电流关系服从欧姆定律。,非整流接触,注入接触,欧姆接触,61,.,4、由载流子浓度梯度引起的光伏效应-丹倍效应,由于光生非平衡载流子扩散速度的差异而引起的沿着光照方向产生电场和电位差的现象。,1、根据电位差的测定结果，可以确定光照点的位置，故可利用侧向丹倍效应制成二维定位器件。2、光电池,62,.,5、用外加磁场产生的光生伏特效应-光磁电效应,光电磁效应：丹倍效应+载流子洛伦兹偏转,63,.,6、非势垒光伏效应-光子牵引效应,光子的动量很小，一般不起什么作用。但是在一定的条件下，大量光子这种微小的动量也可以产生出所谓光子牵引效应。利用此效应即可制造出用以探测长波长光的所谓光子牵引探测器。,条状半导体块，两端带