探測器的基本原理

關(guān)于探測器的基本原理簡介

光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應(yīng)的器件。探測器分類：

光電探測器

真空光電器件：光電管、光電倍增管、真空攝像管、變像管、象增強(qiáng)器。

固體光電器件：光敏電阻、光電池等等

熱探測器：熱電偶＆熱電堆、熱釋電探測器等等第2頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)第3頁,共112頁，2024年2月25日，星期天回憶.......

導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第4頁,共112頁，2024年2月25日，星期天一、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

電子器件所用的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)是晶體材料。晶體分為單晶和多晶。單晶：在一塊材料中原子全部按照有規(guī)則的周期性排列，這種晶體成為單晶。多晶：只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開，這種材料稱為多晶。第5頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、電子的共有化運(yùn)動在孤立原子中電子遵守泡利不相容原理＆能量最低原理。泡利不相容原理：原子中同一能級的核外電子軌道中只能容納自旋相反的兩個電子，每個電子層中可能容納軌道數(shù)是n2個、每層最多容納電子數(shù)是2n2

。能量最低原理：核外電子總是先占有能量最低的軌道，只有能量最低的軌道占滿后，電子才依次進(jìn)入能量較高的軌道。第6頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在半導(dǎo)體中，原子之間距離很近，使原子的各個殼層之間有不同程度的交疊。以硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)為例：第7頁,共112頁，2024年2月25日，星期天電子共有化運(yùn)動的過程

殼層的交疊使原子不再局限于某一個原子上，它可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這樣原子有可能在整個晶體中運(yùn)動，晶體中電子的這種運(yùn)動稱為電子的共有化運(yùn)動。共有化運(yùn)動只能在原子中相似的殼層間進(jìn)行第8頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、能帶結(jié)構(gòu)(energyband)

量子力學(xué)計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。第9頁,共112頁，2024年2月25日，星期天能帶的寬度記作

E

，數(shù)量級為

E～eV。

若N~1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶越寬，

E越大。2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，

E越大。3.兩個能帶有可能重疊。第10頁,共112頁，2024年2月25日，星期天離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖第11頁,共112頁，2024年2月25日，星期天原子能級分裂成能帶的示意圖第12頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1.滿帶：能帶中各能級都被電子填滿?！M帶中的電子不能起導(dǎo)電作用晶體加外電場時，電子只能在帶內(nèi)不同能級間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。·滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一能級轉(zhuǎn)移時，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會產(chǎn)生定向電流，不能起導(dǎo)電作用。第13頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2.空帶：所有能級均未被電子填充的能帶?！び稍拥募ぐl(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下空著；·當(dāng)有激發(fā)因素(熱激發(fā)、光激發(fā))時，價帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；·在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。第14頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3.導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶?！ぴ谕怆妶鲎饔孟?，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。

·價帶：價電子能級分裂后形成的能帶。有的晶體的價帶是導(dǎo)帶；有的晶體的價帶也可能是滿帶。價電子：原子中最外層的電子。

…第15頁,共112頁，2024年2月25日，星期天4.禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充?！そ麕У膶挾葘w的導(dǎo)電性有重要的作用?！と羯舷履軒е丿B，其間禁帶就不存在。

滿帶

空帶

禁帶E第16頁,共112頁，2024年2月25日，星期天允帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶。禁帶：允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，這個范圍稱為禁帶。滿帶：被電子占滿的允帶稱為滿帶。滿帶不導(dǎo)電。價帶：晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。價電子：原子中最外層的電子。第17頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。（1）本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。第18頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。第19頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進(jìn)行，達(dá)到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對第20頁,共112頁，2024年2月25日，星期天自由電子帶負(fù)電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制第21頁,共112頁，2024年2月25日，星期天導(dǎo)帶：比價帶能量更高的允許帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子稱為自由電子。價帶中出現(xiàn)電子的空穴稱為自由空穴。自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為載流子。禁帶寬度小者，電子容易躍遷到導(dǎo)帶，所以導(dǎo)電性能高。鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導(dǎo)電性隨溫度變化比硅更顯著。第22頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(2).雜質(zhì)半導(dǎo)體１.N型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Gｅ等，摻入少量五價的雜質(zhì)（impurity）元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠導(dǎo)帶處,

ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級稱為施主（donor）能級。第23頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中：電子……多數(shù)載流子導(dǎo)帶價帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子第24頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

施主(donor)能級：這種雜質(zhì)能級因靠近導(dǎo)帶，雜質(zhì)價電子極易向?qū)кS遷。因向?qū)Ч?yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級稱施主能級。因攙雜(即使很少)，會使導(dǎo)帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。其導(dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導(dǎo)帶而形成的。

第25頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2.ｐ型半導(dǎo)體四價的本征半導(dǎo)體Si、Ge等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠價帶處，

ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級稱受主（acceptor）能級。第26頁,共112頁，2024年2月25日，星期天導(dǎo)帶Ea價帶受主能級P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中：空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子第27頁,共112頁，2024年2月25日，星期天這種雜質(zhì)的能級緊靠價帶頂處，

EA<10-1eV，價帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級，使價帶中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級因接受電子而稱受主(acceptor)能級?！み@種攙雜使價帶中的空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱空穴型半導(dǎo)體，或p型半導(dǎo)體。導(dǎo)電機(jī)制：主要是由價帶中空穴的運(yùn)動形成的。第28頁,共112頁，2024年2月25日，星期天雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)第29頁,共112頁，2024年2月25日，星期天二、熱平衡條件下的載流子的濃度載流子濃度：是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。激發(fā)：電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。復(fù)合：在熱激發(fā)的同時也有電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的復(fù)合。在一定溫度下激發(fā)和復(fù)合形成平衡，我們稱為熱平衡。第30頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、能級密度指在導(dǎo)帶和價帶內(nèi)單位體積，單位能量能級數(shù)目，用N(E)表示。導(dǎo)帶內(nèi)的能級密度：價帶內(nèi)的能級密度：N(E)為在電子能量E處的能級密度。h為普朗克常數(shù)。第31頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、費(fèi)米能級＆電子占據(jù)率電子遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計分布規(guī)律。能量為E的一個獨(dú)立的電子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率為第32頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

EF稱為費(fèi)米能級或費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。EF是一個很重要的物理參數(shù)，只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定。第33頁,共112頁，2024年2月25日，星期天費(fèi)米分布函數(shù)的特性當(dāng)T=0K時：若E<EF,則f(E)=1

若E>EF,則f(E)=0

即在絕對零度時，能量比費(fèi)米能量小的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子；而能量比EF大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒有電子，是空的。故在絕對零度時，費(fèi)米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。第34頁,共112頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)T>0K時：若E<EF,則f(E)>1/2若E=EF,則f(E)=1/2若E>EF,則f(E)<1/2上述結(jié)果說明：當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。而當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級時，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。第35頁,共112頁，2024年2月25日，星期天EF的意義:EF的位置比較直觀地反映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標(biāo)志了電子填充能級的水平。EF越高，說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。第36頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在強(qiáng)p型中，導(dǎo)帶中電子最少，價帶中電子也最少，所以可以說，強(qiáng)p型半導(dǎo)體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低。弱p型中，導(dǎo)帶和價帶電子稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，所以EF也升高了。無摻雜，導(dǎo)帶和價帶中載流子數(shù)一樣多，費(fèi)米能級在禁帶中線附近。弱n型，導(dǎo)帶及價帶電子更多了，能帶被填充水平也更高，EF升到禁帶中線以上，到強(qiáng)n型，能帶被電子填充水平最高，EF也最高。

EC

Ei

Ev

強(qiáng)p型弱p型本征型強(qiáng)n型弱n型第37頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在價帶中，知道了電子的占據(jù)概率，可求出空穴的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：第38頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在導(dǎo)帶中能級為E的電子濃度等于E處的能級密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：3、平衡載流子濃度在一定溫度T下，產(chǎn)生過程與復(fù)合過程之間處于動態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫熱平衡狀態(tài)。處于熱平衡狀態(tài)的載流子n和p稱為熱平衡載流子。它們保持著一定的數(shù)值。第39頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在整個導(dǎo)帶中總的電子濃度是在導(dǎo)帶底Ec以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分結(jié)果為：第40頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共112頁，2024年2月25日，星期天將(3)(4)兩式相乘得到:由此得到：（1）在每種半導(dǎo)體中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費(fèi)米能級無關(guān)（2）禁帶寬度Eg越小，乘積越大，導(dǎo)電性越好（3）半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度的增大而增大。第42頁,共112頁，2024年2月25日，星期天可見，電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級無關(guān)。對一定的半導(dǎo)體材料，乘積只決定于溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)；而在一定溫度下．對不同的半導(dǎo)體材料，因禁帶寬度不同而不同。

這個關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體都普通適用，在討論許多實(shí)際問題時常常引用。

還說明，對一定的半導(dǎo)體材料，在一定的溫度下，np的乘積是一定的。換言之，當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃度就要減??；反之亦然。第43頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

（1）當(dāng)材料一定時，n0、p0隨EF和T而變化；

（2）當(dāng)溫度T一定時，

n0×p0僅僅與本征材料相關(guān)。由下式可知第44頁,共112頁，2024年2月25日，星期天4、本征半導(dǎo)體的載流子濃度

本征半導(dǎo)體：滿足n0=p0=ni的半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體。在室溫（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.1×1013cm-3

ni（Si）≌1.3×1010cm-3

ni（GaAs）≌1.1×107cm-3

第45頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體是電中性的：

n0=p0

第46頁,共112頁，2024年2月25日，星期天即得到：CarriersDensityofIntrinsicSemiconductors第47頁,共112頁，2024年2月25日，星期天由（5）式可以見到：1、溫度一定時，Eg大的材料，ni??；

2、對同種材料，

ni隨溫度T按指數(shù)關(guān)系上升。

CarriersDensityofIntrinsicSemiconductors第48頁,共112頁，2024年2月25日，星期天5、摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度：N型半導(dǎo)體，施主原子的多余價電子易進(jìn)入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)目增多高于本征半導(dǎo)體的電子濃度，則分別為：Nd為n型半導(dǎo)體中摻入的施主原子的濃度第49頁,共112頁，2024年2月25日，星期天N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級：由上式可見，n型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級位于禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近導(dǎo)帶底。第50頁,共112頁，2024年2月25日，星期天P型半導(dǎo)體，受主原子易從價帶中獲得電子，價帶中的自由電子濃度將高于本征半導(dǎo)體中的自由空穴濃度。設(shè)摻入的受主原子的濃度為Na，則第51頁,共112頁，2024年2月25日，星期天P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級：由上式可見，p型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級位于禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近價帶頂。第52頁,共112頁，2024年2月25日，星期天三、半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體器件通過外部注入載流子或用光激發(fā)方式而使載流子濃度超過熱平衡時的濃度，這些超出部分的載流子通常稱為非平衡載流子或過剩載流子。相應(yīng)的：n=n0+⊿np=p0+⊿p

且：⊿n=⊿p非平衡載流子：⊿n和⊿p（過剩載流子）第53頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、材料的光吸收（1）本征吸收對于本征半導(dǎo)體在一定溫度下載流子濃度達(dá)到平衡后，再受光照時，價帶中的電子吸收光子能量而遷移到導(dǎo)帶，在價帶中留下空穴，這時電子＆空穴的濃度都增大，則這個過程我們稱為本征吸收。要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬度，因此在長波方向存在一個界限：第54頁,共112頁，2024年2月25日，星期天（2）雜質(zhì)吸收摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷導(dǎo)帶。同樣中性受主的束縛空穴也可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，這種吸收為雜質(zhì)吸收。施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶，受主釋放束縛空穴到價帶所需的能量稱為電離能。雜質(zhì)吸收光的長波限：第55頁,共112頁，2024年2月25日，星期天（3）其他吸收其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，引起光電導(dǎo)現(xiàn)象主要是本征吸收＆雜質(zhì)吸收。第56頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體材料時，在本征半導(dǎo)體中電子吸收能量大于禁帶寬度的光子，并產(chǎn)生了電子空穴對即光生載流子。如果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，而載流子濃度因復(fù)合而減小。第57頁,共112頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合的種類：間接＆直接復(fù)合。直接復(fù)合：晶格中運(yùn)動的自由電子直接由導(dǎo)帶回到價帶與自由空穴復(fù)合。間接復(fù)合：自由電子＆自由空穴通過禁帶中的復(fù)合中心間接進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合對光生載流子濃度的影響？第58頁,共112頁，2024年2月25日，星期天光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命。半導(dǎo)體中，光生電子空穴對的直接復(fù)合率與載流子濃度成正比。解得方程：為光照剛停時得光生載流子濃度，為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。第59頁,共112頁，2024年2月25日，星期天四、載流子得擴(kuò)散與漂移1、擴(kuò)散當(dāng)材料得局部位置收到光照，材料吸收光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置得載流子濃度就比平均濃度高。這時電子將從濃度高得點(diǎn)向濃度低得點(diǎn)運(yùn)動，是自己在晶體中重新達(dá)到均勻分布，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。第60頁,共112頁，2024年2月25日，星期天單位面積得電流稱為擴(kuò)散電流，正比于光生載流子得濃度梯度。第61頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、漂移在外電場作用下，電子向正極方向運(yùn)動，空穴向負(fù)極方向運(yùn)動，這種運(yùn)動稱為漂移。在電場中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度矢量為：第62頁,共112頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)擴(kuò)散和漂移同時存在得時候總得電子電流密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：總電流密度為兩者之和。第63頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3.2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)的分類：1、內(nèi)光電效應(yīng)：材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導(dǎo)率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件有兩大類：光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)的兩大器件。含有光敏電阻，SPRITE探測器、光電池、光電二極管、三極管和場效應(yīng)管等。

第64頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

2、外光電效應(yīng)：當(dāng)光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量足夠大，它和物質(zhì)中的電子互相作用，致使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)制成的器件有：光電管，光電倍增管等。第65頁,共112頁，2024年2月25日，星期天一、光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受照時，由于對光子得吸收引起載流子濃度得增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。材料對光得吸收有本征型和非本征型兩種。第66頁,共112頁，2024年2月25日，星期天本征型：光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中得電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率得增加，即本征型光電效應(yīng)。非本征型：若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶或從價帶躍遷到受主能級，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材料得電導(dǎo)率，即非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。第67頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、光電流材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱電場，在樣品的垂直方向加上均勻的光照，入射功率為常數(shù)時，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)光電流。第68頁,共112頁，2024年2月25日，星期天無光照時，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃度，因而樣品具有一定的暗電導(dǎo)率。樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載流子濃度用Δn和Δp表示。光照穩(wěn)定的條件下的電導(dǎo)率為：附加的電導(dǎo)率稱之為光電導(dǎo)率，能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)材料。第69頁,共112頁，2024年2月25日，星期天令：則：

b為遷移比。光電導(dǎo)靈敏度定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)生的光電導(dǎo)率。光電導(dǎo)靈敏度表達(dá)式第70頁,共112頁，2024年2月25日，星期天可見，要制成光電導(dǎo)率高的器件，應(yīng)該使n0和P0有較小數(shù)值，因此光電導(dǎo)器件一般是由高阻材料(n0,P0較小)或者在低溫下使用(n0

，p0較少)第71頁,共112頁，2024年2月25日，星期天下面我們看一下光電流密度的求解：首先：g為載流子產(chǎn)生率，為壽命。若入射光功率為Φs，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系：第72頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第73頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、響應(yīng)時間（1）光電導(dǎo)馳豫過程光電導(dǎo)材料從光照開始獲得穩(wěn)定的光電流學(xué)要一定的時間，當(dāng)光照停止后光電流逐漸消失，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)馳豫現(xiàn)象。（2）上升響應(yīng)時間光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63％所需的時間為光電探測器上升響應(yīng)時間。此時光生載流子濃度：第74頁,共112頁，2024年2月25日，星期天（3）下降時間光照停止以后光生載流子下降到穩(wěn)定值的37％時所需要的時間為下降時間。此時光生載流子濃度的變化為：第75頁,共112頁，2024年2月25日，星期天光電導(dǎo)材料在弱光照時，表現(xiàn)為線性光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率成正比。而在強(qiáng)光照時表現(xiàn)為拋物線光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率的平方根成正比，定義其上升＆下降時間，相當(dāng)于上升到穩(wěn)態(tài)值的76％，下降到穩(wěn)態(tài)值的50％。第76頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

影響光譜響應(yīng)有兩個主要因素：光電導(dǎo)材料對各波長輻射的吸收系數(shù)和表面復(fù)合率。響應(yīng)有一峰值，而無論向長波或短波方向，響應(yīng)都會降低。定性分析其原因：在材料不同深度x處獲得的光功率為P=P0(1-)。在較長波長上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，復(fù)合率小，一部分輻射會穿過材料，因此靈敏度低。第77頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

隨著波長減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導(dǎo)率達(dá)到峰值。一般峰值靠近長波限，實(shí)際定義長波限為峰值一半處所對應(yīng)的波長。當(dāng)波長進(jìn)一步減小時，吸收系數(shù)進(jìn)一步增加，光子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表面附近，表面處的載流子復(fù)合率增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降。靈敏度減小。第78頁,共112頁，2024年2月25日，星期天二、p-n結(jié)光伏效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指：當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料或金屬/半導(dǎo)體相接觸形成勢壘，當(dāng)外界光照射時，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象.

利用光生伏特效應(yīng)制成的光電探測器叫做勢壘型光電探測器。第79頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、半導(dǎo)體pn結(jié)在p型半導(dǎo)體內(nèi)部，空穴濃度高，費(fèi)米能級位置相對較低。在n型半導(dǎo)體內(nèi)部，電子濃度高，費(fèi)米能級位置相對較高。平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級Ef處在同一高度上。結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場使p區(qū)相對于n區(qū)具有負(fù)電位，使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成p－n結(jié)勢壘，阻擋多數(shù)載流子運(yùn)動。第80頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第81頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、p－n結(jié)的電流電壓特性Pn結(jié)的主要特性是整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娦浴Ｕ蚱茫簆區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)。此時電流隨電壓的增大急劇上升反向偏置：n區(qū)接正，p區(qū)接負(fù)。隨著電壓的增加，電流趨向飽和。第83頁,共112頁，2024年2月25日，星期天（1）正向偏置pn結(jié)的正向電流由p邊界的電子擴(kuò)散電流和n邊界的空穴擴(kuò)散電流組成。第84頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第85頁,共112頁，2024年2月25日，星期天（2）反相偏置施加電壓的方向和內(nèi)建電場的方向相同，使勢壘的高度增加，空間電荷區(qū)加寬。漂移電流占主要地位。

第86頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3、pn結(jié)光伏效應(yīng)離PN結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，N區(qū)中的空穴，P區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場的分離，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，PN結(jié)區(qū)的光生電子-空穴對被PN結(jié)勢壘區(qū)較強(qiáng)的內(nèi)建電場分離，空穴被移向P區(qū)，電子被移向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)將積累電子，P區(qū)將積累空穴，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，于是在P區(qū)和N區(qū)之間造成光生電勢差；

第87頁,共112頁，2024年2月25日，星期天如果光照保持不變，積累過程達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個與光照度相應(yīng)的穩(wěn)定的電勢差，稱為光生電動勢，光強(qiáng)越強(qiáng)，光生電動勢也就越大。積累的光生載流子部分地補(bǔ)償了平衡PN結(jié)的空間電荷，引起了PN結(jié)勢壘高度降低。電子空穴的移動使p區(qū)的電勢高于n區(qū)的電勢，相當(dāng)于pn結(jié)上加了正向偏置。

第88頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第89頁,共112頁，2024年2月25日，星期天PN結(jié)中有三種電流：擴(kuò)散電流、漂移電流、光生電流。光生電流與漂移電流方向相同，而擴(kuò)散電流方向相反。把擴(kuò)散電流和漂移電流定義為結(jié)電流Ij。結(jié)電流=擴(kuò)散電流－漂移電流。第90頁,共112頁，2024年2月25日，星期天外電路的電流：若外電路短路，外電壓為0，則短路電流Isc：當(dāng)開路時，外電路電流為0，開路電壓Voc第91頁,共112頁，2024年2月25日，星期天三、光電子發(fā)射效應(yīng)1、光電發(fā)射定律斯托列托夫定律：當(dāng)入射光的頻率或頻譜成份不變時，飽和光電流(即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目)與入射光的輻射通量成正比e——電子電量；——光電激發(fā)出電子的量子效率；

P——輻射功率；P/——頻率為的總的光子數(shù)。第92頁,共112頁，2024年2月25日，星期天愛因斯坦定律：光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

Em——光電子的最大動能；

——與金屬等材料有關(guān)的常數(shù)，實(shí)際上就是逸出功；

h——普朗克常數(shù)；

——材料產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率第93頁,共112頁，2024年2月25日，星期天在T=0K時，當(dāng)光子能量，即時，光電子最大動能隨光子能量增加而線性增加，在入射光頻率低于或波長大于時，不論光照強(qiáng)度如何，以及照射時間多長，都不會有光電子產(chǎn)生。稱為長波閾值或紅閾波長。當(dāng)然，在常溫下，在長波閾附近有一拖尾，但基本上認(rèn)為滿足愛因斯坦公式。

第94頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、金屬的光電發(fā)射金屬的逸出功：克服原子核的靜電引力和偶電層的勢壘作用所做的功。金屬的光電發(fā)射的物理過程可概括為三步：(1)金屬吸收光子，體內(nèi)的電子被激發(fā)到高能態(tài)；(2)被激電子向表面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中因碰撞而損失部分能量；(3)到達(dá)表面的電子克服位壘而逸出。第95頁,共112頁，2024年2月25日，星期天半導(dǎo)體光電發(fā)射半導(dǎo)體光電發(fā)射的量子效率遠(yuǎn)高于金屬。而且探測響應(yīng)寬，尤其在紅外探測是有不可替代的地位，在紅外探測、夜視、地物勘探等等方面具有越來越重要的作用。對半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過程歸納為三步：(1)半導(dǎo)體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導(dǎo)帶）上；(2)這些被激電子在向表面運(yùn)動的過程中受到散射而損失掉一部分能量；(3)到達(dá)表面的電子克服表面電子親和勢EA而逸出。第96頁,共112頁，2024年2月25日，星期天本征半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射逸出功W熱為真空能級E0與費(fèi)米能級Ef之差。W熱＝E0－Ef＝1/2Eg＋EA光電發(fā)射逸出功W光：在絕對零度時光電子逸出表面所需的最低能量W光＝Eg＋EA第97頁,共112頁，2024年2月25日，星期天對于大多數(shù)情況，能夠有效吸收光子的電子高密度位置是在價帶頂附近，半導(dǎo)體受光照后能量轉(zhuǎn)換公式為則電子吸收光子能量后只能克服禁帶能級躍入導(dǎo)帶，而沒有足夠能量克服電子親和勢而逸入真空。第98頁,共112頁，2024年2月25日，星期天只有當(dāng)，則電子吸收光子能量后才能克服禁帶躍入導(dǎo)帶并逸出?！郋A+Eg稱為光電發(fā)射的閾能量。Eth=EA+Eg，光子的最小能量必須大于光電發(fā)射閾值，這個最小能量對應(yīng)的波長稱為閾值波長(稱或長波限)。第99頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3、閾值波長能夠使電子逸出物質(zhì)表面的光子最小能量稱為閾值波長（長波限）。第100頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3.3探測器中的噪聲一、噪聲的概念探測器輸出的光電信號并不平坦，而是在平均值上下隨機(jī)的起伏，這種隨機(jī)的瞬間的幅度不能預(yù)先知道的起伏稱為噪聲。通常用均方噪聲來表示噪聲值的大小，噪聲電流和噪聲電壓代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率，它是實(shí)際可測的，是確定的正值。第101頁,共112頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)噪聲的功率譜與頻率的關(guān)系，分為兩種噪聲：一是