《光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件

1、2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)和技術(shù)部，1。第二章光電探測技術(shù)基礎(chǔ)，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，2。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，天然物質(zhì)，包括氣體、液體和固體。固體根據(jù)其導(dǎo)電性可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。電阻率10-6 10-3歐姆厘米，導(dǎo)體電阻率1012歐姆厘米以上，導(dǎo)體與絕緣體之間的絕緣體電阻率，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，3。半導(dǎo)體的特性，半導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)一般是負值，而且它對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制造熱電探測器。由于微量雜質(zhì)的影響，電導(dǎo)率會發(fā)生顯著變化。(室溫下純硅的電導(dǎo)率為510-6/(歐姆厘米)。摻雜百萬分之一硅原子的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2/(歐

2、姆厘米)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和性質(zhì)受光、電和磁的影響。2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，4。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體，本征半導(dǎo)體是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。在絕對零度時，價帶中的所有量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)都是空的。將某些雜質(zhì)摻雜到純半導(dǎo)體中可以顯著控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。摻雜雜質(zhì)可分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。供體雜質(zhì)在電離后變成不可移動的帶正電的供體離子，同時向?qū)峁╇娮樱沟冒雽?dǎo)體變成具有電子傳導(dǎo)的N型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)在電離后變成不可移動的帶負電的受主離子，同時為價帶提供空穴，從而使半導(dǎo)體成為具有空穴傳導(dǎo)的P型半導(dǎo)體。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，5，平衡和不平衡載

3、流子，半導(dǎo)體處于熱平衡，在一定溫度下，載流子濃度是一定的。熱平衡中的載流子濃度稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的和有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外部作用，破壞了熱平衡條件，就迫使它處于一種偏離熱平衡狀態(tài)的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為非平衡狀態(tài)。在非平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的載流子濃度不再是平衡載流子濃度，而是比它們多一部分。超過平衡狀態(tài)的這部分載流子稱為不平衡載流子。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，6，“非平衡載流子的產(chǎn)生，光注入：利用照明在半導(dǎo)體中產(chǎn)生非平衡載流子”。當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，光子可以激發(fā)價帶電子到導(dǎo)帶，并產(chǎn)生電子-空穴對，使得導(dǎo)帶比某些電子更平衡，價帶比某些空穴

4、更平衡。產(chǎn)生的非平衡電子的濃度等于價帶中非平衡空穴的濃度。光注入產(chǎn)生不平衡的載流子，這導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加。其他方法：電注射、高能粒子輻照等。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，7，載流子傳輸過程，擴散-漂移復(fù)合，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，8，半導(dǎo)體對光的吸收，用光照射物體，部分光被物體反射，部分光被物體吸收，其余光透過物體。吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收。由于光子的作用，本征吸收使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶。只有當(dāng)入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)生本征激發(fā)。2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，9，雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收，引起

5、雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)該等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于禁帶寬度，雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)域位于本征ab的長波方向，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)系，11，光電導(dǎo)，光電效應(yīng)，光電效應(yīng)：材料的電特性在光照射后發(fā)生變化的現(xiàn)象(電子發(fā)射，電導(dǎo)率變化，感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生)。包括：外部光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射的內(nèi)部光電效應(yīng)；內(nèi)部電子能量狀態(tài)變化，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，12。光電效應(yīng)的解釋：在光的作用下，物質(zhì)直接導(dǎo)致電子在物質(zhì)中的運動狀態(tài)發(fā)生變化而不升溫，從而導(dǎo)致物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)和光電子發(fā)射。在理解上述定義時，我們必須把握以下三點：原因：它是輻射，而不是溫度上升；現(xiàn)象：

6、電子運動狀態(tài)改變；結(jié)果：電導(dǎo)率、光伏、光電子發(fā)射的變化。簡單地寫為：光電導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)和輻射電子運動狀態(tài)改變時的光電子發(fā)射。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，13，光對電子的直接作用是光電效應(yīng)產(chǎn)生的原因：在光的作用下，當(dāng)感光材料中的電子直接吸收足夠的光子能量來克服原子核的束縛時，電子將從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外加電場的作用下參與傳導(dǎo)，產(chǎn)生光電效應(yīng)。這里應(yīng)該注意的是，如果光子不直接與電子相互作用，而是能量被固體晶格的振動所吸收，從而導(dǎo)致固體溫度上升并改變固體的電學(xué)性質(zhì)，這種情況不是光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，14，光電導(dǎo)效應(yīng)，光電

7、導(dǎo)效應(yīng)：材料的電導(dǎo)率在光照射下發(fā)生變化，光照的變化導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的變化。是光電導(dǎo)器件的基礎(chǔ)。物理本質(zhì)：當(dāng)半導(dǎo)體材料被光照射時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛電子吸收光子能量，被激發(fā)成傳導(dǎo)自由電子，導(dǎo)致材料載流子濃度增加，從而增加材料的電導(dǎo)率。屬于內(nèi)部光電效應(yīng)。包括對應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料的本征和非本征半導(dǎo)體材料。2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，15，本征光電導(dǎo)，本征光電導(dǎo)：指本征半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)。也就是說，光子能量hv大于材料帶隙Eg的入射光，使得電子-空穴對可以被激發(fā)，并且材料可以產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。用于本征半導(dǎo)體材料。也就是說，高壓乙二醇的截止波長為0=碳氫化合物/乙二醇=1.24/

8、乙二醇。穩(wěn)定的光電流：穩(wěn)定和均勻的照明2。暗電導(dǎo)率和暗電流3。明亮的導(dǎo)電性和明亮的電流4。光電導(dǎo)和光電流，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，16?；竟剑喊惦妼?dǎo)率Gd=dS/L暗電流Id=dSU/L亮電導(dǎo)率Gl=lS/L亮電流Il=lSU/L光電導(dǎo)Gp=S/L光電流Ip=SU/L，光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，17，雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主的吸收雜質(zhì)半導(dǎo)體的帶隙比本征材料小得多，因此它們更容易電離，并且響應(yīng)波長比本征材料長得多。用電子電離作為雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，截止波長為0=HC/電子電離。特點：易受熱激勵產(chǎn)生的噪聲影響，經(jīng)

9、常在低溫下工作。常用的光電導(dǎo)材料：硅、鍺和鍺摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機物。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)系，18，“光電導(dǎo)”是指固體在光照下的電導(dǎo)率變化。這種效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)體和絕緣體都有這種效應(yīng)。電導(dǎo)率與載流子濃度及其遷移率的乘積成正比。入射光的光子能量等于或大于能量g，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，19。1.光電導(dǎo)體的靈敏度通常是指在一定條件下單位光照產(chǎn)生的光電流。由于各種設(shè)備的范圍和條件不一致，因此靈敏度的表達方式也各不相同。光電導(dǎo)的靈敏度表示在一定光強下光電導(dǎo)的強度。它可以用光電增益g來表示.根據(jù)恒定光照和穩(wěn)態(tài)條件下電子和空穴的等生成率和復(fù)合率，可

10、以推導(dǎo)出：G=/TL: (1)公式為量子產(chǎn)率，即吸收一個光子產(chǎn)生的電子和空穴的對數(shù)；是光生載流子的壽命；t1是光電導(dǎo)體之間載流子的渡越時間。一般來說，將公式(1)代入公式(2)，得到G=U/l2，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，20，其中L是光電導(dǎo)體之間的距離；是流動性。e是兩極之間的電場強度；u是施加的電源電壓?？梢钥闯觯怆妼?dǎo)體的非平衡載流子壽命越長，遷移率越大。光電導(dǎo)體的靈敏度(光電流或光電增益)越高。此外，光電導(dǎo)體的靈敏度與電極間距的平方成反比.如果自由電子和空穴都參與光電導(dǎo)體中的傳導(dǎo)，那么光電增益的表達式是G=(nn pp )U/l2，其中n和p分別是自由電子和空穴的壽命。

11、n和p分別是自由電子和空穴的遷移率。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)系，21，2，光電導(dǎo)弛豫過程，光電導(dǎo)效應(yīng)是一種不平衡的載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始需要一定的時間才能獲得穩(wěn)定的光電流。同樣，光電流的消失是逐漸的。弛豫現(xiàn)象表明光電導(dǎo)體對光強變化的響應(yīng)速度有多快，這被稱為慣性。光電導(dǎo)對光強變化的慣性導(dǎo)致光電流變化的延遲。當(dāng)輸入功率按照正弦規(guī)律變化時，輸出光電流和光功率調(diào)制頻率之間的關(guān)系是一個低通特性。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，22，3。光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個重要參數(shù)，它表示電場作用下光照產(chǎn)生的光生載流子形成的外部電流與內(nèi)部光生載流

12、子形成的光電流之比。它可以表示為： M=/dr，即器件的時間響應(yīng)和兩極之間載流子的渡越時間。光電導(dǎo)器件通常被制成梳狀電極，并且光敏表面是蛇形的，這不僅確保了更大的光接收表面，而且減小了電極之間的距離，從而減少了電極之間載流子的有效傳輸時間并提高了靈敏度。光電導(dǎo)增益和光電導(dǎo)器件帶寬的乘積是常數(shù)，即Mf=常數(shù)。結(jié)果表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，器件帶寬越低。反之亦然，達拉斯到禮堂這個結(jié)論對光電效應(yīng)是普遍的。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，23，4，光電導(dǎo)的光譜分布半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與照明波長密切相關(guān)。測量光電導(dǎo)的光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的重要方向，也是開發(fā)滿足不同實際需要的

13、材料的重要依據(jù)。例如，PbS、PbSe和PbTe可以有效地利用10m的紅外波段，而CdS可以有效地利用從可見光到x光的短波范圍。此外，只有首先確定光譜分布，光電導(dǎo)才能用來比較不同波長的光強。(1)本征光電導(dǎo)的光譜分布，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，24，一些典型半導(dǎo)體本征光電導(dǎo)的光譜分布曲線，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，25。從圖中可以看出，在短波方向，當(dāng)波長增加時，光電導(dǎo)在短波中，如果光滑曲線是等能量曲線，那么被照射的光子數(shù)很少，這自然導(dǎo)致光電導(dǎo)下降；如果光譜曲線是等量子曲線，光電導(dǎo)下降的物理機制是復(fù)雜的?？梢钥隙ǖ氖?，波長越短，樣品對光的吸收系數(shù)越大，光生載流子越

14、集中在被照射的表面。此時，它受表面的影響很大，如表面能級、表面復(fù)合和電極，這可能會降低量子產(chǎn)率、載流子遷移率和壽命，并會導(dǎo)致光電導(dǎo)的降低。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，26，(2)，雜質(zhì)光電導(dǎo)性的光譜分布半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收光子以將雜質(zhì)水平的電子或空穴激發(fā)到自由光生載流子中，這要求光子能量必須大于或等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于帶隙，雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長比本征光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長長。同時，由于雜質(zhì)原子數(shù)量少，雜質(zhì)光電導(dǎo)比本征光電導(dǎo)弱得多。2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部，27，摻金鍺雜質(zhì)與不同量的砷施主雜質(zhì)的光電導(dǎo)光譜分布曲線，2020年7月13日，光學(xué)信息科學(xué)技術(shù)部

15、，28。從圖中可以看出，光電導(dǎo)在光子能量接近0.7eV時急劇上升，表明本征光電導(dǎo)開始。在本征光電導(dǎo)的長波長極限的左側(cè)，光子能量小于鍺的間隙寬度(0.68eV)。此時，當(dāng)光電導(dǎo)的光譜曲線明顯為雜質(zhì)光電導(dǎo)時，可以看出該曲線在某一波長處迅速下降，這是雜質(zhì)光電導(dǎo)的長波極限。這里，光子的能量等于雜質(zhì)的電離能。無論能量有多低，光子都不可能激發(fā)雜質(zhì)上的電子或空穴。圖中三條曲線中的每一條都表明摻雜了不同量的砷供體雜質(zhì)。金在鍺中有多種能級。當(dāng)不添加砷施主雜質(zhì)時，金是受主，鍺是P型半導(dǎo)體(P型鍺：金)。從曲線可以看出，長波限為0.05電子伏。當(dāng)加入少量砷施主雜質(zhì)時，鍺晶體仍為磷型(磷型鍺：金：砷)，長波限為0.1

16、5電子伏。當(dāng)加入足夠多的砷施主雜質(zhì)時，鍺晶體由磷型變?yōu)榈?氮型鍺：金：砷)。從曲線可以看出，長波長極限對應(yīng)于0.2eV，2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，29，光伏效應(yīng)，一種具有內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光的作用下在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光伏效應(yīng)。也稱為光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)置電場使載流子(電子和空穴)的擴散和漂移運動達到動態(tài)平衡。在光子能量大于禁帶寬度的照射下，激發(fā)的電子-空穴對打破了原來的平衡，結(jié)附近的電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流和載流子積累，相當(dāng)于在PN結(jié)中增加一個直流電壓。也就是說，光生電動勢。2020/7/13，光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)部，30，形成過程：光生(正向)電壓產(chǎn)生正向注入電流(P指N): I=iSXP (QV/KT)-