半導(dǎo)體的光電效應(yīng)課件

半導(dǎo)體的光電效應(yīng)因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可分為:內(nèi)電光效應(yīng)與外電光效應(yīng)內(nèi)電光效應(yīng):光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)外電光效應(yīng):光電發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí),材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。主要有本征光電導(dǎo)與非本征光電導(dǎo)。下面討論本征光電導(dǎo)：

本征半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)圖討論光電探測(cè)器的一般步驟：定性分析：工作原理定量計(jì)算：性能分析：靈敏度，光譜響應(yīng)特性，線性關(guān)系等光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)入射光功率為為常數(shù)時(shí)：用來(lái)產(chǎn)生光電效應(yīng)的光功率:產(chǎn)生非平衡載流子的光子數(shù)：產(chǎn)生非平衡載流子的濃度：在穩(wěn)定光照下，光生載流子不斷產(chǎn)生，同時(shí)也不斷復(fù)合。在穩(wěn)定時(shí)光生載流子的濃度為：光電導(dǎo)為：暗電導(dǎo)為：光電導(dǎo)效應(yīng)積分得到：

矩形脈沖光照弛豫過(guò)程圖同樣停止光照時(shí)：頻率響應(yīng)：

正弦光照弛豫過(guò)程圖光電導(dǎo)效應(yīng)光譜響應(yīng)：探測(cè)器的輸出與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系注意條件：理想情況實(shí)際情況光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生機(jī)制：光生載流子的濃度梯度光電磁效應(yīng)勢(shì)壘效應(yīng)（PN結(jié)）P-N結(jié)光伏效應(yīng)NNPVIsIdI二極管的伏安特性電流：＋－那么流過(guò)PN結(jié)的電流為：光伏效應(yīng)vId它的供電電流為：二極管伏安特性vI光敏二極管伏安特性短路電流為：開(kāi)路電壓：說(shuō)明：第三象限為光電流區(qū)第四象限為光電池區(qū)第一象限不利用

光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。外光電效應(yīng)的兩個(gè)基本定律：1．光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：

當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比：2.光電發(fā)射第二定律——愛(ài)因斯坦定律

光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)：Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W半導(dǎo)體光電反射半導(dǎo)體的光電發(fā)射逸出供為：E0EcEfEgWEA（其中EA為電子親和勢(shì)）半導(dǎo)體光電發(fā)射注意：在光電效應(yīng)里面：包括內(nèi)電光與外電光效應(yīng)，都存在著一個(gè)閥值波長(zhǎng)問(wèn)題探測(cè)器的噪聲一般光電系統(tǒng)的噪聲：目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器前放信號(hào)處理顯示光子噪聲探測(cè)噪聲處理電路噪聲光子噪聲：信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲與背景噪聲探測(cè)器噪聲：熱噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生與復(fù)合噪聲，溫度噪聲，1/f噪聲探測(cè)器的噪聲噪聲的分類：隨機(jī)的噪聲，其功率與頻率無(wú)關(guān)（白噪聲）與頻率有關(guān)的1/f噪聲1/f噪聲白噪聲fS(f)噪聲的主導(dǎo)地位：在低頻時(shí)，

1/f噪聲起主導(dǎo)作用在中頻時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合噪聲起主導(dǎo)作用在高頻時(shí)，白噪聲起主導(dǎo)作用噪聲的克服探測(cè)器的主要參數(shù)響應(yīng)率（積分靈敏度）或光譜響應(yīng)率或探測(cè)器的主要參數(shù)等效噪聲功率與探測(cè)率它反映了能探測(cè)到的最小光功率響應(yīng)時(shí)間：關(guān)于響應(yīng)時(shí)間積分得到：

矩形脈沖光照弛豫過(guò)程圖同樣停止光照時(shí)：頻率響應(yīng)：

正弦光照弛豫過(guò)程圖探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法：通過(guò)比較被測(cè)探測(cè)器與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在每一波長(zhǎng)上的響應(yīng)，來(lái)確定被測(cè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)函數(shù)分束器顯示顯示光源聚光鏡單色儀參考探測(cè)器放大放大標(biāo)準(zhǔn)或被測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)思，參考探測(cè)器的作用，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的作用探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試響應(yīng)率的測(cè)試（積分靈敏度）探測(cè)器的響應(yīng)率：放大電表示波器鎖相探測(cè)器限光屏斬光器輻射源電機(jī)輸出抗干擾方法:調(diào)制探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試線性的測(cè)試顯示探測(cè)器光源導(dǎo)軌L在上圖中入射到探測(cè)器的輻射通量與距離的平方成反比，因此，可以通過(guò)改變距離的方式來(lái)改變輻射通量。畫(huà)出響應(yīng)函數(shù)與距離平方倒數(shù)的關(guān)系曲線，即可求出探測(cè)器的線性范圍。光譜光視效率

光譜光視效率V(λ)曲線

圖中實(shí)線為在視場(chǎng)較亮?xí)r測(cè)得的，稱為明視覺(jué)V(λ)曲線；虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱為暗視覺(jué)V(λ)曲線根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度。列于下表：

明暗視覺(jué)的分界:3cd/m2明視覺(jué)的最大值為555nm明視覺(jué)的最大值為507nm光度學(xué)(Photometry)光度學(xué)研究對(duì)可見(jiàn)光的能量的計(jì)算，它使用的參量稱為光度量。以人的視覺(jué)習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。光度量與輻射度量的關(guān)系輻射度光度學(xué)人眼光明電阻光明電阻的工作原理：注意本征光電導(dǎo)與雜質(zhì)光電導(dǎo)的聯(lián)系與區(qū)別：對(duì)于雜質(zhì)光電導(dǎo)一般采用N型光電導(dǎo)材料光明電阻的主要特性參數(shù)：光電導(dǎo)增益由光照形成的光生載流子在電場(chǎng)作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流之間的比值：參見(jiàn)書(shū)本：（表示單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)）內(nèi)部電流：qN外部光電流為：故增益為：光明電阻光電導(dǎo)與光伏探測(cè)器的區(qū)別：光電導(dǎo)：光照產(chǎn)生非平衡載流子以致改變材料的電導(dǎo)率，不會(huì)產(chǎn)生光電流，要產(chǎn)生電流必須外加電場(chǎng)。光伏：同樣產(chǎn)生非平衡載流子，但內(nèi)部存在一種分開(kāi)機(jī)制，使得電子與空穴分離而形成光電流，不需要外加電壓。在光敏二級(jí)管時(shí)要加電壓，作用？NNPVIs