光電技術(shù)第一章(3)課件

1.6

光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象。1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種，本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。

可見，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點，Δn=Δp，可得

2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

內(nèi)建電場耗盡區(qū)當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向為電壓與電流的正方向時，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負(fù)載電阻的電流應(yīng)為

式中，IΦ為光生電流，Is為暗電流。

光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+Is

光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流IΦ，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

3.丹培(Dember)效應(yīng)

如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓可由下式計算

式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；Δn0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度；μn與μp分別為電子與空穴的遷移率。μn=1400cm2/(V·s)，而μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。

半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運動速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象為丹培效應(yīng)。

光磁電場為

式中，Δp0，Δpd分別為x=0，x=d處n型半導(dǎo)體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于

其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。

5.光子牽引效應(yīng)

當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時，光子把動量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運動。結(jié)果，在開路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場，它阻止載流子的運動。這個現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。在室溫下，P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為

1.6.2光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。

外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子的初始動能便大于0。

對于半導(dǎo)體，情況較為復(fù)雜，半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體中又分為P型與N型雜質(zhì)半導(dǎo)體，其能級結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的綜合能級結(jié)構(gòu)圖，由能級結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的電子的光電發(fā)射閾值為

即導(dǎo)帶中的電子接收的能量大于電子親合勢為EA的光子后就可以飛出半導(dǎo)體表面。

而對于價帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為

光電發(fā)射長波限為

利用具有光電發(fā)射效應(yīng)的材料也可以制成各種光電探測器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。

光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點：

1.電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。

2.很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器