光电检测器件工作原理及特性课件.ppt

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1、第二章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础1、光电导效应2、杂质光电导效应3、光生伏特效应4、光热效应2.2光电检测器件的特性参数2.1光电检测器件的物理基础----光电效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。包括：外光电效应：产生电子发射内光电效应：内部电子能量状态发生变化2.1.1光电导效应光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基

2、础。物理本质：光照到半导体材料时，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，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。属于内光电效应。包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。1、本征光电导效应本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：hv>Eg即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照2、暗电导率和

3、暗电流3、亮电导率和亮电流4、光电导和光电流基本公式：暗电导率Gd=σdS/L暗电流Id=σdSU/L亮电导率Gl=σlS/L亮电流Il=σlSU/L光电导Gp=ΔσS/L光电流Ip=ΔσSU/L光电导效应示意图LS本征半导体样品光U2、光电导弛豫过程光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脉冲光电导对光强

4、变化反应的惰性引起光电流变化的延迟输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。3、光电导增益光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为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。可表示为:M=τ/τdrτ为器件的时间响应τdr为载流子在两极间的渡越时间光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度光电导器件的光电导增益与带宽积为

5、一常数，即MΔf=常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。2.1.2杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的电离能，则截止波长：λ0=hc/EI。特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。2

6、.1.3光生伏特效应达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压。即光生电动势。IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD无光照有光照PNEcEvEFeV

7、D-eV形成过程：空穴电子光生（正向）电压产生正向注入电流（由P指N）：I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+当PN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]负载接入外回路，电流为I，则PN结两端电压为：V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]PN结开路时，I=0，求得开路电压：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)可见Voc与Ip为非线性关系。PN结短路，V=0，求得短路电流即光电流：Isc=Ip=qη/hν=P没有光照时，Ip=

8、0，外加正向电压为V时，有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。2.1.4光热效应可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应