通信光电子学第五章第二节.ppt

1、,第二节 光探测的基本物理效应,分类,光与物质的作用,光电效应,光热效应,热释电效应,测辐射热计效应,温差电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光伏效应,一、光电效应,1、定义 在受到光的照射后，材料的电学性质发生了变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势等）的现象称为光电效应。 2、分类 外光电效应 受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。 内光电效应 受到光照射的物质内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象。,3、外光电效应 （1）、定义 在光照下,物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。 （2）、产生条件 入射光子的能量就必须大于光电子发射体的逸出功 （3）、

2、光电发射的三个过程 光子被材料吸收 光电子向材料表面运动 光电子逸出界面 电子亲和势,图5-2-2普通光电阴极和负电子亲和势光电阴极的能带,（4）、光电转换遵守两个基本定律： a、爱因斯坦定律： (5-2-2) 式中W表示半导体材料的逸出功； 为外来辐射的光子能量； 为光电子逸出材料后具有的最大速率。 只有 ，才可能产生光电发射，因此入射光频率有一个下限值（波长有一个上限值），称为红限频率，相应的波长称为红限波长（长波限）。,b、斯托列托夫定律： (5-2-3) 式中 为饱和光电流； 为入射光通量； 为比例常数，称为光电发射体的灵敏度，单位为 ，只有当入射光频率高于红限值的前提下，光电流才可能

3、产生，且遵循以上关系。,4、内光电效应,4.1 光电导效应 （1）、定义 当光入射到半导体光电材料时，会在材料内部激发出新的载流子，使得半导体的电导率发生变化，称为光电导效应 （2）、原理,光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件： 光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量 和 。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子,我们现在称之为光生载流子。显然, 和 将使半导体的电导增加一个量 ,我们称之为光电导。,（3）、几个参数,电导率的改变量 单位时间投射到单位面积里的光子数为 在单位体积里产生的光生载流子数为 单位时间内因复

4、合而消失的载流子数目为,光照下产生的稳态光生载流子的浓度 光电流 电子渡越时间 光导率增益,（4）、光电导弛豫,光照射到材料上时，总是会经过一个延迟的时间，光生载流子才会增加到相应的数量而趋于稳定。同样，光照结束后，光生载流子也要经历一定的时间才能复合完毕。这种现象反映了光电导材料对光强变化反应快慢的程度，称为光电导弛豫。,4.2 光伏效应,（1）、定义 当光照射半导体PN结时，使得载流子扩散而在PN结间形成内建电场，即产生电动势的现象 （2）、内建电场 无光照时，结型半导体的P区和N区中由于空穴浓度、电子浓度都分别比另一区域大，产生了浓度梯度而出现了载流子的扩散，使得在N区和P区积累了一定数

5、量的空穴与电子，从而在材料内部出现内建电场。,（3）、光生电动势 光照射到材料上时，就会出现新的电荷移动。P区产生的电子穿过势垒到达N区，N区产生的空穴以同样的方式到达P区，并积累，这样在P区积累了较多的正电荷，N区积累了较多的负电荷，使得在无光照时形成的势垒高度降低，相当于在PN结上加了正向电压，这种由于光照而在PN结的两端出现的电动势称为光生电动势。 （4）、电流方向,（5）、开路电压、短路电流 开路电压 短路电流 光电流,二、光热效应,1、定义 某些物质在收到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。 2、分类,3、热释电效应 （1）、非极性晶体、极化晶体 非极性晶

6、体分子里的正负电荷的分布中心对称，且正负电荷的重心重合； 极化晶体正负电荷的重心不重合，在客观上会出现极化现象，在所加外电场撤销之后，会出现自发极化。 （2）、与温度的关系,温度低时，自发极化强度大，晶体表面感应的电荷增加；温度增高时，自发极化强度小，晶体表面感应的电荷相应减少。 4、测辐射热计效应 （1）、定义 入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象称为测辐射热计效应 （2）、表达式 为电阻温度系数，温度越高，半导体材料的温度系数越小，B是常数，典型值为3000K。,5、温差电效应,（1）、定义及原理 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。 当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。,（3）、三种效应之间的关系