《光电检测技术基础》PPT课件

1、2020/7/13，光学信息科学和技术部，1。第二章光电探测技术基础，2020/7/13，光学信息科学与技术部，2。导体、半导体和绝缘体，天然物质，包括气体、液体和固体。固体根据其导电性可分为导体、绝缘体和半导体。电阻率10-6 10-3欧姆厘米，导体电阻率1012欧姆厘米以上，导体与绝缘体之间的绝缘体电阻率，2020年7月13日，光学信息科学技术部，3。半导体的特性，半导体电阻的温度系数一般是负值，而且它对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制造热电探测器。由于微量杂质的影响，电导率会发生显著变化。(室温下纯硅的电导率为510-6/(欧姆厘米)。掺杂百万分之一硅原子的杂质时，电导率为2/(欧

2、姆厘米)。半导体的导电性和性质受光、电和磁的影响。2020年7月13日，光学信息科学与技术部，4。本征半导体和杂质半导体，本征半导体是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的所有量子态都被电子占据，而导带中的所有量子态都是空的。将某些杂质掺杂到纯半导体中可以显著控制半导体的导电性。掺杂杂质可分为施主杂质和受主杂质。供体杂质在电离后变成不可移动的带正电的供体离子，同时向导带提供电子，使得半导体变成具有电子传导的N型半导体。受主杂质在电离后变成不可移动的带负电的受主离子，同时为价带提供空穴，从而使半导体成为具有空穴传导的P型半导体。2020/7/13，光学信息科学与技术部，5，平衡和不平衡载

3、流子，半导体处于热平衡，在一定温度下，载流子浓度是一定的。热平衡中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和有条件的。如果对半导体施加外部作用，破坏了热平衡条件，就迫使它处于一种偏离热平衡状态的状态，这种状态称为非平衡状态。在非平衡状态下，半导体的载流子浓度不再是平衡载流子浓度，而是比它们多一部分。超过平衡状态的这部分载流子称为不平衡载流子。2020/7/13，光学信息科学与技术部，6，“非平衡载流子的产生，光注入：利用照明在半导体中产生非平衡载流子”。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子可以激发价带电子到导带，并产生电子-空穴对，使得导带比某些电子更平衡，价带比某些空穴

4、更平衡。产生的非平衡电子的浓度等于价带中非平衡空穴的浓度。光注入产生不平衡的载流子，这导致半导体电导率的增加。其他方法：电注射、高能粒子辐照等。2020/7/13，光学信息科学与技术部，7，载流子传输过程，扩散-漂移复合，2020/7/13，光学信息科学与技术部，8，半导体对光的吸收，用光照射物体，部分光被物体反射，部分光被物体吸收，其余光透过物体。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。由于光子的作用，本征吸收使电子从价带跃迁到导带。只有当入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发。2020年7月13日，光学信息科学技术部，9，杂质吸收和自由载流子吸收，引起

5、杂质吸收的光子的最小能量应该等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，杂质吸收的光谱区域位于本征ab的长波方向，2020/7/13，光学信息科学与技术系，11，光电导，光电效应，光电效应：材料的电特性在光照射后发生变化的现象(电子发射，电导率变化，感应电动势的产生)。包括：外部光电效应：产生电子发射的内部光电效应；内部电子能量状态变化，2020年7月13日，光学信息科学技术部，12。光电效应的解释：在光的作用下，物质直接导致电子在物质中的运动状态发生变化而不升温，从而导致物质的光电导效应、光伏效应和光电子发射。在理解上述定义时，我们必须把握以下三点：原因：它是辐射，而不是温度上升；现象：

6、电子运动状态改变；结果：电导率、光伏、光电子发射的变化。简单地写为：光电导效应、光电效应和辐射电子运动状态改变时的光电子发射。2020/7/13，光学信息科学与技术部，13，光对电子的直接作用是光电效应产生的原因：在光的作用下，当感光材料中的电子直接吸收足够的光子能量来克服原子核的束缚时，电子将从基态激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外加电场的作用下参与传导，产生光电效应。这里应该注意的是，如果光子不直接与电子相互作用，而是能量被固体晶格的振动所吸收，从而导致固体温度上升并改变固体的电学性质，这种情况不是光电效应，而是热电效应。2020年7月13日，光学信息科学与技术部，14，光电导效应，光电

7、导效应：材料的电导率在光照射下发生变化，光照的变化导致材料电导率的变化。是光电导器件的基础。物理本质：当半导体材料被光照射时，晶格原子或杂质原子的束缚电子吸收光子能量，被激发成传导自由电子，导致材料载流子浓度增加，从而增加材料的电导率。属于内部光电效应。包括对应于本征和杂质半导体材料的本征和非本征半导体材料。2020年7月13日，光学信息科学与技术部，15，本征光电导，本征光电导：指本征半导体材料的光电导。也就是说，光子能量hv大于材料带隙Eg的入射光，使得电子-空穴对可以被激发，并且材料可以产生光电导效应。用于本征半导体材料。也就是说，高压乙二醇的截止波长为0=碳氢化合物/乙二醇=1.24/

8、乙二醇。稳定的光电流：稳定和均匀的照明2。暗电导率和暗电流3。明亮的导电性和明亮的电流4。光电导和光电流，2020年7月13日，光学信息科学与技术部，16。基本公式：暗电导率Gd=dS/L暗电流Id=dSU/L亮电导率Gl=lS/L亮电流Il=lSU/L光电导Gp=S/L光电流Ip=SU/L，光电导效应示意图，2020年7月13日，光学信息科学与技术部，17，杂质光电导效应：杂质半导体，杂质半导体中施主或受主的吸收杂质半导体的带隙比本征材料小得多，因此它们更容易电离，并且响应波长比本征材料长得多。用电子电离作为杂质半导体的电离能，截止波长为0=HC/电子电离。特点：易受热激励产生的噪声影响，经

9、常在低温下工作。常用的光电导材料：硅、锗和锗掺杂的半导体材料，以及一些有机物。2020/7/13，光学信息科学与技术系，18，“光电导”是指固体在光照下的电导率变化。这种效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电导率与载流子浓度及其迁移率的乘积成正比。入射光的光子能量等于或大于能量g，2020/7/13，光学信息科学与技术部，19。1.光电导体的灵敏度通常是指在一定条件下单位光照产生的光电流。由于各种设备的范围和条件不一致，因此灵敏度的表达方式也各不相同。光电导的灵敏度表示在一定光强下光电导的强度。它可以用光电增益g来表示.根据恒定光照和稳态条件下电子和空穴的等生成率和复合率，可

10、以推导出：G=/TL: (1)公式为量子产率，即吸收一个光子产生的电子和空穴的对数；是光生载流子的寿命；t1是光电导体之间载流子的渡越时间。一般来说，将公式(1)代入公式(2)，得到G=U/l2，2020/7/13，光学信息科学与技术部，20，其中L是光电导体之间的距离；是流动性。e是两极之间的电场强度；u是施加的电源电压。可以看出，光电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越大。光电导体的灵敏度(光电流或光电增益)越高。此外，光电导体的灵敏度与电极间距的平方成反比.如果自由电子和空穴都参与光电导体中的传导，那么光电增益的表达式是G=(nn pp )U/l2，其中n和p分别是自由电子和空穴的寿命。

11、n和p分别是自由电子和空穴的迁移率。2020/7/13，光学信息科学与技术系，21，2，光电导弛豫过程，光电导效应是一种不平衡的载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始需要一定的时间才能获得稳定的光电流。同样，光电流的消失是逐渐的。弛豫现象表明光电导体对光强变化的响应速度有多快，这被称为惯性。光电导对光强变化的惯性导致光电流变化的延迟。当输入功率按照正弦规律变化时，输出光电流和光功率调制频率之间的关系是一个低通特性。2020/7/13，光学信息科学与技术部，22，3。光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，它表示电场作用下光照产生的光生载流子形成的外部电流与内部光生载流

12、子形成的光电流之比。它可以表示为： M=/dr，即器件的时间响应和两极之间载流子的渡越时间。光电导器件通常被制成梳状电极，并且光敏表面是蛇形的，这不仅确保了更大的光接收表面，而且减小了电极之间的距离，从而减少了电极之间载流子的有效传输时间并提高了灵敏度。光电导增益和光电导器件带宽的乘积是常数，即Mf=常数。结果表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，器件带宽越低。反之亦然，达拉斯到礼堂这个结论对光电效应是普遍的。2020/7/13，光学信息科学与技术部，23，4，光电导的光谱分布半导体的光电导与照明波长密切相关。测量光电导的光谱分布是确定半导体材料光电导特性的重要方向，也是开发满足不同实际需要的

13、材料的重要依据。例如，PbS、PbSe和PbTe可以有效地利用10m的红外波段，而CdS可以有效地利用从可见光到x光的短波范围。此外，只有首先确定光谱分布，光电导才能用来比较不同波长的光强。(1)本征光电导的光谱分布，2020年7月13日，光学信息科学技术部，24，一些典型半导体本征光电导的光谱分布曲线，2020年7月13日，光学信息科学技术部，25。从图中可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导在短波中，如果光滑曲线是等能量曲线，那么被照射的光子数很少，这自然导致光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，光电导下降的物理机制是复杂的。可以肯定的是，波长越短，样品对光的吸收系数越大，光生载流子越

14、集中在被照射的表面。此时，它受表面的影响很大，如表面能级、表面复合和电极，这可能会降低量子产率、载流子迁移率和寿命，并会导致光电导的降低。2020/7/13，光学信息科学与技术部，26，(2)，杂质光电导性的光谱分布半导体杂质吸收光子以将杂质水平的电子或空穴激发到自由光生载流子中，这要求光子能量必须大于或等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于带隙，杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的光谱响应波长长。同时，由于杂质原子数量少，杂质光电导比本征光电导弱得多。2020年7月13日，光学信息科学技术部，27，掺金锗杂质与不同量的砷施主杂质的光电导光谱分布曲线，2020年7月13日，光学信息科学技术部

15、，28。从图中可以看出，光电导在光子能量接近0.7eV时急剧上升，表明本征光电导开始。在本征光电导的长波长极限的左侧，光子能量小于锗的间隙宽度(0.68eV)。此时，当光电导的光谱曲线明显为杂质光电导时，可以看出该曲线在某一波长处迅速下降，这是杂质光电导的长波极限。这里，光子的能量等于杂质的电离能。无论能量有多低，光子都不可能激发杂质上的电子或空穴。图中三条曲线中的每一条都表明掺杂了不同量的砷供体杂质。金在锗中有多种能级。当不添加砷施主杂质时，金是受主，锗是P型半导体(P型锗：金)。从曲线可以看出，长波限为0.05电子伏。当加入少量砷施主杂质时，锗晶体仍为磷型(磷型锗：金：砷)，长波限为0.1

16、5电子伏。当加入足够多的砷施主杂质时，锗晶体由磷型变为氮型(氮型锗：金：砷)。从曲线可以看出，长波长极限对应于0.2eV，2020/7/13，光学信息科学与技术部，29，光伏效应，一种具有内部动态平衡的半导体PN结，在光的作用下在PN结两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光伏效应。也称为光伏效应。物理本质：PN结内置电场使载流子(电子和空穴)的扩散和漂移运动达到动态平衡。在光子能量大于禁带宽度的照射下，激发的电子-空穴对打破了原来的平衡，结附近的电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流和载流子积累，相当于在PN结中增加一个直流电压。也就是说，光生电动势。2020/7/13，光学信息科学与技术部，30，形成过程：光生(正向)电压产生正向注入电流(P指N): I=iSXP (QV/KT)-