第二章+光电检测技术基础

第二章光电检测技术基础1/15/20231光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应1/15/20232一.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1/15/20233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;光是由许多光量子组成的，光量子具有的能量为hv.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1/15/202341/15/202351.辐射度学对各种电磁辐射进行定量评价的一门科学评价对象：电磁辐射2.光度学评价对象：可见光辐射对可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉进行定量评价，是一种生理效应用下标(e)用下标(v)1/15/20236紫外辐射可见光辐射X光辐射红外光辐射电磁辐射红、橙、黄、绿、青、蓝、紫(100~380nm)(380~780nm)（10~100nm)(780nm~1mm)1/15/202371/15/20238光源的辐射特性辐射是一种能的形式，既有电磁本质又有量子本质。凡高于绝对零度的物体都有热辐射，温度低的发射红外光，到500度开始发射暗红色可见光，温度升高到1500度开始发白光。凡能发射连续光谱而辐射是温度的函数的物体，称为热辐射体，如动植物体、太阳及白炽灯。1/15/20239二.辐射与光学度量

1.辐射度量辐射能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]辐射能密度：单位体积内的辐射能，表征辐射能的空间特性。单位：焦耳/立方米辐射通量Φe：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［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］

1/15/202310辐照度Ee：单位面积上所接受的辐射通量。单位：［W/m2］

辐射出射度Ｍe

：辐射体在单位面积内所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］辐射亮度Ｌe

：由辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［W/m2．Sr］光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。1/15/202311基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳／立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度Ｉ瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌ

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-21/15/2023122.光度量的最基本单位发光强度Iv：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量,(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Φv：光辐射通量对人眼所引起的强度值,(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：单位面积所接受的入射光的量，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。光出射度MV:光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量1/15/202313光亮度LV:光源表面一点处的面元da在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的正投影面积之比．单位；坎德拉每平米(cd/m²)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，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（３８０nm－７８０nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。1/15/202314晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内靠窗附近照度约为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50—500lx阴天室内5—50lx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50~60lx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0.001lx1/15/202315

辐射度学基本物理量介绍1.辐射功率（辐射通量）对于辐射源说----单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：W（瓦特）对于电磁波的传播----单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收----单位时间内某一截面接收到的电磁能发射A1A2传播A接收如果是多波长辐射，则有：光谱功率谱密度1/15/202316

点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。2、辐射强度单位：向空间各个方向辐射均匀的点光源：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐射强度，可表示为：dΩθ1/15/2023173、辐射亮度单位：----表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元dS

在θ方向的光亮度定义为：此面元在θ方向dΩ体积角内的的辐射通量dΦe

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)

。如果是多波长辐射则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐亮度，可表示为：N1/15/2023184、辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。dA1dA2单位：W/m2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：1/15/202319

光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光谱光视效能

Kλ

及视见函数Vλ波长（λ）不同

Ø相同产生对人眼不同的刺激程度人眼对光的感受是光波长的函数单位时间内发射、传播或接收的光量K

λ

光谱光视效能(lm/W)(1)光谱光视效能

光通量(lm流明)1/15/202320定义:视见函数明视0.55μmλ

10.380.7明视暗视0.55μm0.50μmλ

Km=683（lm/W）0.380.78不同波长的光谱灵敏度，如图所示：Km明视觉光谱光视效能(2)视见函数1/15/202321（二）光度学量A1A2A1A2辐射通量单位时间内发射、传播或接收的辐射能量。复色光时----单位时间内发射、传播或接收的光量。复色光时1、光通量A

lm(流明）W（瓦特）1/15/202322----点光源在某一方向上，单位立体角内发出的辐射通量。----点光源在某一方向上，单位立体角内的光通量。2、发光强度单位：辐射强度单位：（cd

坎德拉）dΩ1/15/202323----面元dS在θ方向dΩ立体角内的的光通量dΦv

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。3、光亮度单位：辐射亮度----面元dS在θ方向dΩ体积角内的的辐通量dΦe

除立体角的大小dΩ

和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。N1/15/2023244、光出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的光通量。dA1dA2单位：lm/m2辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。单位：W/m21/15/202325----受照面上单位时间单位表面积接受的光通量。5、光照度单位：lm/m2dA1dA2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。辐照度单位：W/m2(lx勒克斯）1/15/202326其它基本概念1.点源dA⊥θdA某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比---平方反比定律同时也与面源的方向有关Ir对于沿各方向匀均辐射的点源点源对面的照度-----光源S总辐射通量为：1/15/2023272.扩展源---有一定面积的辐射源朗伯源或称为余弦辐射体向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源发光强度I

与方向角θ满足余弦定律的发光体。大部分发光体都有此性质dSθII0余弦定律常数1/15/202328根据辐出度的定义根据亮度的定义朗伯源向空间各个方位的总辐射通量的计算---dSdA1/15/2023293.漫反射面----把入射光向各个方向均匀的散射的各种面;Mg或BaSO4粉末压制成的表面、积雪、牛奶、无光白纸等。设某一漫反射面dS所受的光照度为E，则此面接收到的光通量为：设此反射面的反射系数为K，则它反射的光通量为：朗伯辐射体不透明漫反射体透明漫反射体亮度减半1/15/2023304.定向辐射体--从成像仪器发出的光束，都集中在一定的立体角内，其辐射有一定的方向性，为了与余弦辐射体相区别，称它为定向辐射体。光线的发射方向比较集中如：激光器为典型定向辐射体，光束截面△S很小，约为1mm²,光束高度平行，发散角很小。太阳的辐射亮度只有3*108W/(sr.m2)1/15/202331三．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对光吸收PN结1/15/202332１．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10-6~10-3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1/15/202333２．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，可制作各类热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。例如;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),电导率变化是一百万倍.半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体材料：硅、锗、硒。砷化镓、硫化镉、硫化铅….。1/15/2023341/15/202335３．本征和杂质半导体本征半导体是结构完整完全纯净的半导体。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。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。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。1/15/2023361.电子的共有化运动2.能带的形成能级3s2p

固体的能带结构允带禁带允带允带禁带1/15/2023371/15/2023383.能带的结构价带导带禁带半导体的导电性：价带导带禁带价带中的空穴导带中的电子价带导带内层能带禁带禁带内层能带禁带价带：被电子填满的能带导带：没有电子占据的能带1/15/2023394.N型半导体和P型半导体价带导带禁带低温下低温下硅晶体中的价带中所有的能级都被电子占据，即被填满，价带以下的能带被内层电子填满，而导带的能级是空的，所以不导电。价带导带禁带本征激发常温下被激发到共价键之外不导电弱导电性1）本征半导体1/15/2023402）掺5族元素时------N型半导体的能级处于共价键之外低温下价带导带禁带杂质能级1/15/202341价带导带禁带施主能级本征激发+杂质激发价带导带禁带杂质能级低温下常温下被激发至导带1/15/2023423）掺3族元素时-----P型半导体低温下B价带导带受主能级1/15/202343４．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(△n△p)称为非平衡载流子。

1/15/202344５．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。1/15/202345

非平衡载流子浓度光照射半导体时：载流子的浓度增加停止光照射后：由于复合，载流子的浓度不断的减少，直到热平衡复合方式有直接复合---导带中的电子直接回到价带填充空位间接复合---通过“缺陷、错位、杂质”等形成的复合中心复合价带导带价带导带1/15/202346热平衡下的载流子浓度本征半导体中的载流子价带导带禁带本征激发开始时：激发>复合复合一段时间后：激发=复合（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）热平衡状态设由低温到高温的过程1/15/2023471/15/202348６．载流子的运动扩散;从高浓度向低浓度迁移.漂移;在电场作用下,除热运动之外的附加运动.复合;电子与空穴迁移过程中相遇消失.1/15/202349

载流子的扩散和漂移1.扩散------在某种作用下（如光照），使材料中的局部位置的光生载流子浓度高于其它地方的载流子浓度，这时载流子就从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种现象称为扩散扩散形成电流的大小：2.漂移------在电场作用下电荷的移动对于空穴导电1/15/2023501/15/202351平衡状态空间电荷区内载流子扩散运动与自建电场产生的漂移运动动态平衡，净电流为零xε(x)1/15/202352７．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、晶格吸收本征吸收——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1/15/202353半导体材料的光吸收效应1）本征吸收价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须满足：单位是μm1/15/2023541/15/2023552)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。EcEv1/15/2023561/15/202357N型半导体：价带导带低温无光照时Ed价带导带低温有光照时价带导带低温无光照时Ea工作时温度要低---防止热激发价带导带低温有光照时P型半导体：1/15/2023583)激子吸收、晶格吸收电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动，形成可动的电子—空穴对，称为激子，在吸收过程中，光子直接转变成晶格原子的震动。1/15/202359８．PN结及金属与半导体的接触将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。

PN结是二极管、三极管、集成电路和其它结光电器件最基本的结构单元。1/15/202360

PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE1/15/202361pn基本特性—要点一、空间电荷区形成及特性平衡状态空间电荷区内载流子扩散运动与自建电场产生的漂移运动动态平衡，净电流为零xε(x)1/15/202362pn结基本电学特性1.直流特性一、载流子输运即电流形成过程：正偏---电场被削弱载流子扩散运动大于漂移运动;

空间电荷区内及其边界电子和空穴浓度高于平衡值;

电子向p区扩散，空穴向n区扩散---称为非平衡少子注入;

非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。被复合多子从外电极提供，构成---正向（扩散）电流

。

非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区。p区n区自建外xm+

Ln扩散区

Ln扩散区

Ln扩散区

Lp扩散区1/15/202363反偏---电场被加强p区n区自建外xm+载流子漂移运动大于扩散运动；空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值；扩散长度范围内少子向xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方；扩散长度内少子浓度低于平衡值；扩散长度内产生电子---空穴对；产生的多子漂移向电极；产生的少子向xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极---形成反向（漂移）电流。载流子的产生区也称为少子扩散区。

Ln扩散区

Lp扩散区1/15/202364二、伏安特性方程A.空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度不一定相等；任一截面的空穴流密度与电子流密度之和却相等，即为pn结的总电流；分别求出空间电荷区边界空穴流密度和电子流密度，二者之和则构成pn结电流密度。B.忽略空间电荷区内载流子的产生和复合，即空间电荷区二侧边界处电子流密度与空穴流密度各自分别相等；

pn结电流则可用p区侧边界电子流与n区侧边界空穴流密度之和表示。

C.分别求解少子电子和少子空穴在其扩散区的载流子连续性方程，可得到非平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数;

根据扩散方程，即可求得空间电荷区p区侧边界处的电子流密度，n区侧边界处空穴流密度。通过PN结电流为；I=IP+In=Io1/15/202365

PN结的伏安特性曲线

对应表:1/15/202366半导体异质结由两种不同质的半导体材料接触而组成的结，或由两种禁带宽度不同半导体材料组成的结。肖特基势垒；金属和半导体接触由于费米能级的位置不同，电子就从一个物体流向另一个使两者都带电，最终使费米能级拉平，这种接触形成的势垒称为肖特基势垒。1/15/202367异质结及其能带结构一、理想状态能带结构1.异质结孤立状态能带结构及形成过程(以反型结为例)载流子向对方扩散--扩散流；形成电荷区--空间电荷区；产生电场—自建电场；形成漂移流—与扩散流方向相反；动态平衡--形成平衡异质结；能带弯曲—形成接触电势差VD；但不变。2.形成EFPEFnEFEF1212W1W2W1W2ECEVE0++++----EV++++++------VE1/15/202368砷化镓与P型锗的能带图1/15/202369金属半导体接触及其能级图

金属和半导体的功函数

表示一个费米能级处的电子，逸出到真空能级所需要的最小能量。功函数的大小标志着束缚电子能力。1/15/202370接触电势差金属-n型半导体金属-p型半导体接触电势差1/15/202371肖特基势垒二极管

金属-半导体势垒接触，称为肖特基势垒二极管。

特点：多子器件；优点：无载流子积累，高频特性好；正向导通电压低。1/15/202372注入接触、欧姆接触金属与半导体结合后电子会从费米能级高的一边流向低的一边，使边界处的载流子浓度高于体内，电流—电压关系呈超线性关系，这种接触称为注入接触。若金属与半导体接触逸出功相同，接触后没有电荷转移，加上外电场时，电流——电压关系服从欧姆定律，这样的接触称欧姆接触。特点：电流在接触处产生的压降远小于器件本征压降；不产生明显的附加阻抗；1/15/202373金属-半导体接触要点：1.能带结构、机理；2.接触类型、机理；3.接触电势差；4.载流子输运。1/15/2023741/15/202375四．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1/15/202376１.内光电效应和外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象1/15/202377光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。

PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建电场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。1/15/202378

光生伏特效应1、由势垒效应产生的光生伏特效应2、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应（丹倍电势）3、用外加磁场产生的光生伏特效应（光磁电效应）4、光子牵引效应：光子作用使半导体两端产生电荷积累形成电场，阻止载流子继续运动。光电发射效应1、斯托列托夫定律(光电发射第一定律）2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律）3、光电发射的红限4、光电发射的瞬时性5、光电发射过程1/15/202379光电发射效应1.光电阴极的饱和光电流与被阴极所吸收的光通量成正比。2.发射出光电子的最大动