光电检测技术第二讲

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1、光电检测技术与应用第二章光电检测器件工作原理及特性2•光电检测器件的物理基础光电导效应光生伏特效应光电效应光电子发射效应光热效应•光电检测器件的特性参数32.12.1光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础4导体、半导体和绝缘体•自然存在物质形式：气体、液体、固体。•固体按导电能力分：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。•导体——电阻率10-6～10-3欧姆•厘米•绝缘体——电阻率1012欧姆•厘米以上•半导体——电阻率介于导体和绝缘体之间5半导体的特性•半导体电阻温度系数一般是负的，且对温度变化非常敏感。根据这一特性，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变化。（纯

2、净Si在室温下电导率(电阻率倒数)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/(2/(欧姆•厘米)•半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响6本征半导体和杂质半导体•本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。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

3、空穴导电的p型半导体。7平衡和非平衡载流子半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，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，称为非平衡载流子。例如光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。8一、光电导效应光电效应：V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。包括外光电效应和内光电效应。V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V内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质

4、内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体9内光电效应分：光电导效应和光光伏生伏特效应特效应光电导效应：半导体受光照后，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，使半导体中载流子数显著增加而导致材料的电导率增大的现象。分本征型和非本征型两类。101、本征光电导效应定义：光子能量hv大于材料禁带宽度E的入射g光射光照射时时，激发电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象。hEν≥gν≥Eh/gvc=/λ1.24λμ≤=hcE/(m)gEg1.24λ==hcE/本征吸收的长波限0gEg112、非本征光电导效应(杂质型)定义：指杂质半导体中施主或受主能带吸收光子能量后电离，

5、产生自由电子或空穴而增加材料电导率的现象。杂质半导体电离能E1：λ=hc/E=1.24/E(um)o1112本征型光电导杂质型光电导可见，引起杂质吸收的光子的最小能量等于杂质的电离能，由于杂质电离能比禁带宽度小很多，所以响应波长要比本征型半导体的工作波长大很多。另，E1小，热激发的载流子噪声相对大，一般要求杂质半导体光电器件工作在低温状态。133、参数描述(1)稳态光电流Ip：垂直于电场方向有均匀光照射到样品表面，且入射光通量恒定时，样品中流出的光电流。无光照时：G=σS/LddG暗电导率：无光照时半导体在常温下的热激发载流d子浓度。G样品电导率；σ半导体材料的电导率；d表示暗态；S样品

6、横截面积，L样品长度。Id=GdU=σdSU/LId暗电流，U外加电压。14光电导参数描述续有光照时：G=σS/L亮电导，有光照时材料处于亮态下llI=GU=σSU/L亮电流lll光电导：G=G−G=(σ−σ)S/L=Δσ⋅S/Lpldld光电流：I=I−I=(G−G)U=Δσ⋅S⋅U/Lpldld光致电导率变化量15τr光电导参数描述续()(2)光电导的驰豫现象（惰性）光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流，或光照停止后到光电流消失，都需要一定的时间。反映了光电导体对光强变化的反应快慢程度。τr：上升时间常数，光生载流子浓度从零增长到稳态值的63%时所需的时间。τf：下降时间常数，光生

7、载流子浓度从稳态值衰减到其37%时所需的时间。16光电导参数描述续(3)光电导的增益长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。M=τ/tdr载流子在两级间渡越时间器件的响应时间梳状电极蛇形光敏面，保证了大的受光面和减小有效极间渡越时间，提高了灵敏度。17二、光生伏特效应光照在不均匀半导体或均匀半导体上时，光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的效应。¾不均匀