第2章光电检测技术与应用详解.ppt

光电检测技术,第二章,第二章光电检测技术基础,主要教学内容：2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识能带理论、载流子及其运动(重点难点)2.4光电效应,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,2.1光的基本性质,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,第二章光电检测技术基础,主要教学内容：2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应,2.2辐射与光度学量,辐射度的基本物理量辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量。单位：焦耳J辐射通量e：光源在单位时间内辐射的总能量称为光源的辐射通量，也记为辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦W辐射强度Ie：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,2.2辐射与光度学量,辐射度的基本物理量辐射出射度Me：辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度（也称辐射本领）。用来量度物体辐射能力的物理量。单位：W/m2辐射亮度Le：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2.Sr辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2光谱辐射通量e()：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,2.2辐射与光度学量,光度量的最基本单位发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。光照度Ev：单位面积所接收的入射光的量，单位：勒克斯lx，相当于1平方米面积上接受到1个流明的光通量。,2.2辐射与光度学量,光度的基本物理量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（380780nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。,晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx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,第二章光电检测技术基础,主要教学内容：2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应,2.3半导体基础知识,一、定义以电阻率界限定义,导体,半导体,绝缘体,106cm,103,1012,铜，银等,硅，锗等,硫化镉,云母，琥珀,2.3半导体基础知识,二、半导体特性1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十分敏感；2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化；3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。,纯硅在室温下的电导率为51061cm-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，电导率却上升至2-1cm-1，几乎增加了一百万倍。,沉积在绝缘板上的硫化镉(CdS)层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧。,2.3半导体基础知识,三、能带理论1、电子运动的三个特点：1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态所确定的能量称为能级。越外层能量越高；2）严格讲原子中没有完全确定的轨道；3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个自旋方向相反的电子。,2.3半导体基础知识,三、能带理论2、电子共有化运动（Flash演示）：1）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为晶体；2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有，而是在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化；3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。,2.3半导体基础知识,三、能带理论3.晶体中电子的能带(Flash演示)1)能量区域中密集的能级形象称为能带；2)能量最高的价电子填满的能带称为价带；3)能量最低的能带为导带，中间为禁带；4)绝缘体、半导体、导体的能带情况。,2.3半导体基础知识,四、载流子的运动1、几个概念(1)本征半导体：完全纯净结构完整的半导体。(2)本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带。(3)N型半导体P型半导体：主要由电子导电的半导体称为？(4)空穴：价带中的电子空位。,2.3半导体基础知识,四、载流子的运动1、几个概念(5)载流子;(6)施主杂质，受主杂质，施主能级;,在晶体中掺杂的杂质，如杂质本身为正电中心，施予电子，我们称之为施主杂质，而被束缚于施主上的电子的能量状态称为施主能级；如杂质本身是负电中心，接受电子，我们称之为受主杂质，受主的空能量状态称为受主能级。,电子空穴都能导电，我们通称他们为载流子。在N型半导体中，一般把电子称为多数载流子，而在P型半导体中，空穴自然称为多数载流子；,2.3半导体基础知识,四、载流子的运动2、热平衡载流子(1)费米能级EF,玻耳兹曼常数,(2)半导体中的费米能级(EF(E-+E+)/2),ED,EFn,EFp,EA,导带,价带,E-,EF,E+,本征半导体,N型半导体,P型半导体,施主能级,受主能级,禁带宽度EgE-E+,导带底,价带顶,2.3半导体基础知识,四、载流子的运动3、非平衡载流子(1)定义(2)寿命(3)复合(4)陷阱效应,(1)在外界作用下，电子空穴的产生率大于复合率，导致载流子数目增加，这种增加的电子空穴称为非平衡载流子。,(2)复合率=n/，式中,，为常数，称为非平衡载流子的寿命。其物理意义：（a）标志着非平衡载流子复合的快慢；（b）非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e所需的时间；（c）非平衡载流子的平均存在时间。,(3)（a）直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上而与空穴结合失去其自由态的过程。（b）间接复合：导带电子通过复合中心（由于半导体中晶体结构的不完整性和杂质的存在，在禁带内存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子与自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心）与价带上的空穴复合。,(4)杂质能级积累非平衡载流子的作用。,2.3半导体基础知识,五、载流子的运动(Flash演示)1、扩散运动2、漂移运动六、半导体对光的吸收1、本征吸收2、杂质吸收3、自由载流子吸收4、激子吸收5、晶格吸收,第二章光电检测技术基础,主要教学内容：2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应,2.4光电效应,一、定义因光照而引起物体电学特性的改变称为光电效应。二、类型外光电效应：光电发射效应内光电效应：光电导效应&光生伏特效应,物质受到光照后向外发射电子的现象，其多发生于金属&金属氧化物,物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，其多发生于半导体内。,光电发射效应,过程：（1）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）从发射体内向真空界面运动（电子传输）；（3）这种受激电子越过表面势垒向真空逸出。,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。,光电发射效应的主要性质,表征光电发射灵敏度的系数,光电阴极的逸出功,光电发射效应的主要性质,光电发射效应的主要性质,2.4光电效应,一、定义因光照而引起物体电学特性的改变称为光电效应。二、类型外光电效应：光电发射效应内光电效应：光电导效应&光生伏特效应,光电导效应,光电导效应,本征半导体样品,A,L,光,本征半导体样品,A,S,L,光,2.4光电效应,一、定义因光照而引起物体电学特性的改变称为光电效应。二、类型外光电效应：光电发射效应内光电效应：光电导效应&光生伏特效应,光生伏特效应（结合正向PN结能带图分析）,用光照射半导体PN结会发生此效应,谢谢！,2.3半导体基础知识,七、半导体的PN结及金属与半导体的接触(一)PN结原理(结:P型,N型半导体结合时其中的过渡区)1、热平衡下的PN结2、非平衡下的PN结能带图,2.3半导体基础知识,七、半导体的PN结及金属与半导体的接触(二)半导体异质结1、由两种不同质的半导体材料接触而组成的结。这种结构不仅改变了半导体的禁带宽度，其他诸如能带结构，迁移率等也发生了变化，电流电压特性。2、对于金属、绝缘体与半导体也可构成异质结。如Ge-GaAs，ZnS-Pt等,2.3半导体基础知识,七、半导体的PN结及金属与半导体的接触(三)三种接触1、阻挡接触：2、注入接触：3、欧姆接触：,（3）若金属与半导体的费米能级相同，接触后没有电荷转移，接触区无电场。加上外电场时，V-I关系服从欧姆定律，这样的接触称为欧姆接触。,（1）金属与N型半导体接触，金属的费米能级低于半导体的费米能级，接触后电子由半导体注入金属，形成肖特基势垒。,（2）a、金属与