光電檢測技術與應用 第2章 光電檢測技術基礎

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1、第二章光電檢測技術基礎6/14/20211光信息科學與技術系導體、半導體和絕緣體自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內(nèi)——導體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導體和絕緣體之間——半導體6/14/20212光信息科學與技術系半導體的特性半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制作熱電探測器件。導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導率為5*10-6/(歐姆?厘米

2、)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率為2/(歐姆?厘米))半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。6/14/20213光信息科學與技術系本征和雜質(zhì)半導體本征半導體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導帶中的量子態(tài)全部空著。在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導體的導電性質(zhì)。摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電子導電的n型半導體。受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴

3、，使半導體成為空穴導電的p型半導體。6/14/20214光信息科學與技術系平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。6/14/20215光信息科學與技術系非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：用光照使得

4、半導體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電子激發(fā)到導帶上去，產(chǎn)生電子－空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。其它方法：電注入、高能粒子輻照等。6/14/20216光信息科學與技術系載流子的輸運過程擴散漂移復合6/14/20217光信息科學與技術系半導體對光的吸收物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子

5、吸收、晶體吸收本征吸收——由于光子作用使電子由價帶躍遷到導帶只有在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)6/14/20218光信息科學與技術系雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應等于雜質(zhì)的電離能由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長波方向.自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時，導帶中的電子和價帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收6/14/20219光信息科學與技術系激子和晶格吸收指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?，或由庫侖力相互?/p>

6、用形成電子和空穴的能量。這種吸收對光電導沒有貢獻，甚至會降低光電轉(zhuǎn)換效率。6/14/202110光信息科學與技術系光電導效應、光生伏特效應和光熱效應光電效應：物質(zhì)受光照射后，材料電學性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。包括：外光電效應：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化6/14/202111光信息科學與技術系光電效應解釋物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導效應、光生伏特效應和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點：原因：是輻射，而

7、不是升溫；現(xiàn)象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化；結果：電導率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。簡單記為：輻射→電子運動狀態(tài)發(fā)生變化→光電導效應、光生伏特效應、光電子發(fā)射。6/14/202112光信息科學與技術系光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應的起因光電效應的起因：在光的作用下，當光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導電，因而產(chǎn)生了光電效應。這里需要說明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導致固體電學性質(zhì)的改變，這

8、種情況就不是光電效應，而是熱電效應。6/14/202113光信息科學與技術系光電導效應光電導效應：光照射的物質(zhì)電導率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導率變化。是光電導器件工作的基礎。物理本質(zhì)：光照到半導體材料時，晶格原子或雜