光電技術第2講75181課件

光電技術第二講物質對光吸收的一般規(guī)律用透射法測定光通量的衰減時,得到以下結論:光能量變化與入射的光通量及路程的乘積成正比.

稱為吸收系數(shù).利用邊界條件解上面的微分方程,得到當光在物質中傳播時,透過的能量衰減到原能量的時所通過的路程的倒數(shù)等于物質的吸收系數(shù).半導體對光吸收包括：本征吸收、雜質吸收、激子吸收、自由載流子吸收和晶格吸收發(fā)生本征吸收的光波長波限為：只有波長小于長波限的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導體的導電特性。雜質吸收N型半導體中未電離的雜質原子（施主原子）吸收光子能量，若光子能量大于施主電離能，雜質原子的外層電子將從雜質能級（施主能級）躍入導帶，成為自由電子。P型半導體中價帶上的電子吸收大于受主電離能的光子能量后，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴。相當于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。雜質半導體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為吸收。雜質吸收的長波限為：由于禁帶寬度大于施主或受主電離能，雜質吸收的長波限總要長于本征吸收的長波限，雜質吸收會改變半導體的導電特性，會引起光電效應。自由載流子吸收對于一般半導體材料，當入射光子的頻率不夠高，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大增強。這是由自由載流子在同一能帶內的能級躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會改變半導體的導電特性。晶格吸收晶格原子對遠紅外譜區(qū)的光子能量的吸收，直接轉變?yōu)榫Ц裾駝觿幽艿脑黾樱诤暧^上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質的熱敏效應。這五種吸收，只有本征吸收和雜質吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應。其他吸收都程度不同地把輻射能轉換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動的速度加快，而不會改變半導體的導電特性。光與物質作用產(chǎn)生的光電效應分為內光電效應和外光電效應兩種。被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質內部運動，使物質的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象稱為內光電效應。被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應。內光電效應是半導體光電器件的核心技術，外光電效應是真空光電倍增管、攝像管、變像管和像增強器的核心技術。光電效應在弱輻射作用下：半導體材料的光電導與入射輻射通量成線性關系.弱輻射條件下半導體材料的光電導靈敏度:lbd強輻射作用下:半導體材料的光電導與入射輻射通量間的關系為半導體材料的光電導靈敏度:半導體的光電導效應與入射輻射通量關系:

在弱輻射條件下,光電導與入射輻射通量成線性關系;隨著輻射的增強,線性關系變壞,當輻射很強時,關系曲線變?yōu)閽佄锞€.當將PN結兩端接入適當?shù)呢撦d電阻RL,入射輻射通量如為,則有電流通過負載,在負責兩端產(chǎn)生壓降U,流過負載電流為:把PN結短路,得到的短路電流即為光生電流開路電壓:在圖像傳感器中常用具有光生伏特效應的光電二極管作為像敏單元,此時的光電二極管采用反向偏置,此時光電二極管的電流為:一般暗電流遠小于光電流,因此常將其略去.則光電二極管的電流與入射輻射成線關系.丹倍效應(Dember)光生載流子擴散運動產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象半導體材料一部分被遮擋,一部分接受光照.受光面產(chǎn)生光生電子和空穴濃度大于小遮光區(qū),載流子濃度差引起載流子向遮光區(qū)的擴散運動,電子的遷移率大于空穴遷移率.這樣在受光面積累空穴,而遮光區(qū)積累電子,產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象.這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象,稱為丹倍效應。光磁電效應半導體上外加磁場,磁場的方向與光照方向垂直,當半導體受光照產(chǎn)生丹倍效應時,由于電子和空穴在磁場中的運動會受到洛倫茲力的作用,使它們的運動軌跡發(fā)生偏轉,空穴向半導體上方偏轉,電子偏向下方.因此在垂直于光照方向和磁場方向的半導體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓,稱為光磁電場.稱為半導體的光磁電效應.光電牽引效應當光子與半導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,結果,在開路的情況下,半導體樣品將產(chǎn)生電場,它阻止載流子運動,稱為光子牽引效應.利用光子牽引效應可以檢測低頻大功率的CO2激光器輸出功率,CO2激光器輸出光的波長遠遠超過激光器鍺窗材料的本征吸收長波限,不可能產(chǎn)生光電子發(fā)射,但激光器鍺窗的兩端會產(chǎn)生伏特電壓,迎光面帶正電,出光面帶負電.室溫下,P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為導帶禁帶價帶對于金屬材料有:對于半導體材料,導帶中的電子對于半導體材料,價帶中的電子對于半導體材料,光電發(fā)射長波限為:光電發(fā)射器件具有不同于內光電效應的特點:1、光電發(fā)射器件中的導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倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能夠快速探測極其微弱的光信號，成為像增強器與變像器技術的基本單元。2、易制作大面積均勻的大面積光電發(fā)射器件，使其在光電成像器件方面有利于，一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導體光電圖像傳感器；3、光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設備，使整個探測器體積龐大，功率損失大，不適于野外操作，造價高；4、光電發(fā)射器件的光譜響應范圍一般不如半導體器件寬。作業(yè)：1