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1、光电技术第二讲物质对光吸收的一般规律用透射法测定光通量的衰减时,得到以下结论:光能量变化与入射的光通量及路程的乘积成正比.称为吸收系数.利用边界条件解上面的微分方程,得到当光在物质中传播时,透过的能量衰减到原能量的时所通过的路程的倒数等于物质的吸收系数.半导体对光吸收包括：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收和晶格吸收本征吸收不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子数很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子，同时在价带中留一个自由空穴，即产生电子-
2、空穴对。半导体价带电子吸收光子能量迁入导带，产生电子-空穴对的现象称为本征吸收。本征吸收产生的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度，这样才能使价带上的电子吸收足够能量跃入导带低能级之上，发生本征吸收的光波长波限为：只有波长小于长波限的入射辐射才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。杂质吸收N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光子能量，若光子能量大于施主电离能，杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成为自由电子。P型半导体中价带上的电子吸收大于受主电离能的光子能量后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴
3、吸收光子能量跃入价带。杂质半导体吸收足够能量的光子，产生电离的过程称为吸收。杂质吸收的长波限为：由于禁带宽度大于施主或受主电离能，杂质吸收的长波限总要长于本征吸收的长波限，杂质吸收会改变半导体的导电特性，会引起光电效应。激子吸收当入射到本征半导体上的光子能量小于禁带宽度，或入射到杂质半导体上的光子能量小于杂质电离能时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子，仍受原来束缚电荷的约束而处于受激状态。这种处于受激状态的电子称为激子。吸收光子能量产生激子的现象，称为激子吸收。激子吸收不会改变半导体的导电特性。自由载流子吸收对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，
4、不足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大增强。这是由自由载流子在同一能带内的能级跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。自由载流子吸收不会改变半导体的导电特性。晶格吸收晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收，直接转变为晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。这五种吸收，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应和外光电效应两种
5、。被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特现象称为内光电效应。被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象，称为外光电效应。内光电效应是半导体光电器件的核心技术，外光电效应是真空光电倍增管、摄像管、变像管和像增强器的核心技术。光电效应内光电效应光电导效应：本征光电导效应和杂质光电导效应本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带,产生本征吸收,导带中产生光生自由电子,价带中产生光生自由空穴.从而导致半导体的电导率发生变化.这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率发生变化的现象,称
6、为本征光电导效应.在弱辐射作用下：半导体材料的光电导与入射辐射通量成线性关系.弱辐射条件下半导体材料的光电导灵敏度:lbd强辐射作用下:半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为半导体材料的光电导灵敏度:半导体的光电导效应与入射辐射通量关系:在弱辐射条件下,光电导与入射辐射通量成线性关系;随着辐射的增强,线性关系变坏,当辐射很强时,关系曲线变为抛物线.光生伏特效应是基于半导体PN结的一种将光能转换成电能的效应.当射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时,价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场作用下分开,并分别向两个方向运动,形成光生伏特电压或光
7、生电流.入射辐射P内建电场+++---电子N空穴光生伏特效应当将PN结两端接入适当的负载电阻RL,入射辐射通量如为,则有电流通过负载,在负责两端产生压降U,流过负载电流为:把PN结短路,得到的短路电流即为光生电流开路电压:在图像传感器中常用具有光生伏特效应的光电二极管作为像敏单元,此时的光电二极管采用反向偏置,此时光电二极管的电流为:一般暗电流远小于光电流,因此常将其略去.则光电二极管的电流与入射辐射成线关系.丹倍效应(Dember)光生载流子扩散运动产生的伏特现象半导体材料一部分被遮挡,一部分接受光照.受光面产生光生电子和空穴浓度大于小遮光区,载流子浓度
8、差引起载流子向遮光区的扩散运动,电子的迁移率大于空穴迁移率.这样在
