光电检测技术及应用徐熙平第2章节光电效应

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1、30八月2021《光电检测技术及应用》第2章光电效应任课教师：徐熙平目录2.1半导体物理基础半导体特性、能带、半导体导电结构、载流子的运动，PN结、半导体对光的吸收。2.2内光电效应光电导效应、光生伏特效应。2.3外光电效应第2章光电效应光电效应光电导效应如：光敏电阻内光电效应非放大型光二、光电池光生伏特放大型光三、场效应管雪崩光电二极管非放大型如：真空光电管外光电效应放大型如：光电倍增管光电效应光照射到物体上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等。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。物质受到光照后向外发射电子。半导

2、体受光照射后，其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小。光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属半导体接触面的两侧产生光电动势。第2章光电效应一、半导体物理基础电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体：硅、锗、硒等；化合物半导体：砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等；导体半导体绝缘体10－6Ω•cm10－31012铜，银等硅，锗等硫化镉云母，琥珀多数现代电子器件是有性能介于导体和绝缘体之间的半导体制成的，这里的性能指导电能力、电阻率。第2章光电效应一、半导体物理基

3、础1、半导体的特性1）半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化非常敏感。根据这一特性，制作了许多半导体热探测元件。2）半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；渗入锑可得到N型半导体。3）半导体的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。例如沉积在绝缘基板上的硫化镉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干欧，甚至更小。沉积在绝缘板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧

4、，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧。纯硅在室温下的电导率为5×10－6Ω－1•cm-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2Ω-1•cm-1，几乎增加了一百万倍。第2章光电效应一、半导体物理基础2、能带理论原子：由带正电的原子核与一些带负电的电子组成的能级：电子绕核稳定运动的能量称为能级（里低内高）能带：能量区域密集的能级成为能带-价带、导带、禁带价带满带禁带导带空带自由电子占据的能带看动画能量最高的是价电子填满的能带，称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的带称为导带。价带与导带之间的区域则称为禁带。空的导带均被电子占据第2

5、章光电效应一、半导体物理基础绝缘体、半导体、导体的能带情况绝缘体的禁带比较宽，价带被电子填满，而导带一般是空的。半导体的能带与绝缘体相似，在理想的绝对零度下，也有被电子填满的价带和全空的导带，但其禁带比较窄。正因为如此，在一定的条件下，价带的电子容易被激发到导带中去。导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带的下半部分，而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。第2章光电效应一、半导体物理基础3、半导体的导电结构在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动的基础上迭加了定向运动，从而形成了电流。具有能向电子提供能量的外界作用

6、电子要跃入的那个能级是空的导带：电子浓度越高，导电能力愈强-电子导电的价带：电子的空位浓度愈高，导电能力愈强-电子空位导电的（注：电子的空位称为空穴）载流子：电子、空穴，均称为载流子第2章光电效应一、半导体物理基础本征半导体不含杂质、晶体结构完整本征激发（电子、空穴成对产生）a）T=0Kb）T>0K本征半导体能带图在热力学温度零度时，又不受光、电、磁等外界作用的本征半导体能带图。此时，导带没有电子，价带也没有空穴。因此，这时的本征半导体和绝缘体一样，不能导电。半导体的禁带宽度较小，因而在热运动或其他外界因素的作用下，价带的电子可激发跃迁到导带，即本征激发产

7、生电子空穴对，参与导电。晶体总是含有缺陷和杂质的。且常温下本征半导体中的电子、空穴是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的，所以它不能直接用来制造晶体管。第2章光电效应一、半导体物理基础杂质半导体P型半导体N型半导体第2章光电效应一、半导体物理基础4、载流子的运动扩散运动：载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动漂移运动：由于外场的加入（如电场）使载流子受力往特定方向运动。扩散运动和漂移运动同时存在漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度

8、和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状