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第2章 光电检测器件工作原理及特性 v光的基本性质（复习） v光度学与辐射度学（补充） v半导体基础知识（补充） v2.1 光电检测器件的物理基础 光电效应 v2.2 光电检测器件的特性参数 第 2 章 光电检测器件工作原理及特性 光的基本性质（复习） n波动理论：光在传播 时所表现出波动性，如 光的干涉、衍射、偏振 、反射、折射。 n惠更斯、杨氏和费 涅耳等，特别是麦克 斯韦（C.Maxwell) 于 1860年将光统一为电 磁波的理论。 v光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流 。 麦克斯韦（1831-1879） 光量子说：光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射 、吸收、色散、散射。 1900年普朗克（Max.Planck)在研究黑体辐射时，提出辐射 的量子论； 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)在解释光电效应时，提 出光量子的概念； 普朗克（1858-1947） 爱因斯坦（1879-1955） v光子能量公式：= h v光子动量公式：p = h/c = h/ 式中，h为普郎克常数（6.62610-34Js）；v为光的振动频率 (s-1)；c为光在真空中的传播速度（3108ms-1）。 上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能 量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频 率和波长）。 光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。 从固体能级来说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比 较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右 的紫外范围内进行高效率的能量转换。 电磁波按波长的分布及各波长区域的定 义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽， 涵盖了由宇宙射线到无线电波（1021025Hz）的宽 阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它 包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-910-3m 的范围。在这个范围内，只有0.380.78m的光才 能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。 红外紫外可见光 10 15 6 1821912 10101010101010 324 f/Hz 电磁辐射光谱的分布 X射线 射线 近红外 远红外 电磁波 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 /m 声频电磁振荡 无线电波 毫米波 红外光 紫外光 X射线 射线 宇宙射线 /nm 1106 4104 6103 1.5106 770 622 597 577 492 455 390 300 200 10 极远 远 中 近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 近 远 极远 可 见 光 电磁辐射波谱 光度学(Photometry)与辐射度学 (Radiometry) 补充1 n光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能 从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最 后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受 ，这是光电系统一个很重要的指标。 n光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称 为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。 n辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于 X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。 n光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名 称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位 不同。为了区别这两种量，规定用下标e和v表示。 常用辐辐射量和光度量一览览表 名称符号定义单位 辐射能 光量 Qe Qv 以辐射形式发射、传播或接收的能量。 光通量对时间 的积分。 焦耳(J) 流明秒(lm s) 辐射能通量 光通量 e v 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 发光强度为v的光源，在立体角元d内的辐通量， dv=v d。 瓦特(W) 流明(lm) 辐射出射度 光出射度 e v 离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。 离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。 瓦每平方米 (W m-2) 流明每平方米 (lm m-2) 辐射照度 光照度 e v 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。 照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。 瓦每平方米 (W m-2) 勒克斯(lx) 辐射强度 发光强度 e v 在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源 面元的辐射功率除以该立体角元。 光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为 ： 频率为5401012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射 强度e=1/683W sr-1时，规定为1cd。 瓦每球面度 (W sr-1) 坎德拉(cd) 辐射亮度 光亮度 Le Lv 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该 面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。 表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该 面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。 瓦每球面度平 方米(W sr-1 m-2) 坎德拉每平 方米(cd m-2) 曝光量H光照度对时间 的积分。 勒克斯秒 (lx s) 基本辐射度量的名称、符号和定义方程 名称符号定义方程单位符号 辐射能Q,焦耳J 辐射能密度焦耳立方米Jm-3 辐射通量， 辐射功率 瓦特W 辐射强度瓦特球面度Wsr-1 辐射亮度 瓦特球面度 平方米 Wm-2 sr-1 辐射出射度瓦特平方米Wm-2 辐射照度瓦特平方米Wm-2 常用辐度量和光度量之间的对应关系 辐通量的光谱分布与接收器的光谱响应 v辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。 总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通 量的连续分布曲线。 e e（ （ ） 以光谱辐通量 e表示 辐射通量按波长分布的特性 ；给定波长0处极小波长 间隔d内的辐通量de称 为单色辐通量。 辐射体总辐射通量e ，即辐射体的总辐射 功率，又称为全色辐 通量为： v许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器 对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光 谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效 能K()来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视 效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比 ，即 v K()=v/e v 由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm ，该波长称为峰值波长)的辐射下，K()最大，记以 Km，Km = 683 lmW-1。对于某给定波长下的Km，定 义光谱光视效率V()为 v V()=K()/Km v V()又称为视见函数。根据对许多正常人 眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列 于下表： 光视效率 V（ ）是用来表示人眼对各种 波长光 的相对灵敏度的物理量。 白天：555nm 夜晚：507nm V（ ）= 1 光谱光视效率 由此，定义光的基本量光通量 光通量是光源在单位时间内发出的光量，光通量 符号为，单位为流明（lm） 。根据光辐射通量() ，由下式可确定光通量： 式中V()为光谱光视光效函数， Km为辐射的光谱光视效能的最大值，其值为 683 lm/W(m=555nm)。 1 W = 683 V（ ）lm 光通量的SI单位为流明（lumen，记做lm）。 而辐射通量的单位则为W（瓦），二者的关系 为： 对于555nm的单色光，则有 1 W=683 lm 即是说，其辐射通量为1W时，其光通量 为683 lm。 光度量的最基本单位 1979年10月第16届国际计量大会定义：一个光源发出 频率为540 X 1012Hz的单色光（相当一波长为555nm的 人眼视觉灵敏的黄绿光），在一定方向的辐射强度为 1/683 W/sr，则此光源在该方向上的发光强度为1cd。 单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七 个基本单位之一。 1坎德拉的点状光源所发出的总光通量为4流明。 一支普通蜡烛的发光强度约为1cd。 中国大陆的早些时候，把每1瓦的白炽灯的发光强度 称之为一支烛光，如25瓦的就称之为25支烛光。其原因 是一只220V/100W的白炽灯发出的光通量约等于400流 明。换算下来每1W的发光强度差不多就是1cd。 部分典型环境中国家标准照度值 典型环境 照度标准值/lx 典型环境 照度标准值/lx 低中高低中高 普通（课桌 面） 150 微机室（工 作台面） 200 图书馆、阅 览室 150200300 起居室（书 写、阅读） 100150200 理化实验室100150200 一般精细工 作台面 300500750 部分常见物体的亮度 光源名称 亮度/（ cd/m2） 光源名称 亮度/（cd/m2 ） 地球上看到的 太阳 钨丝白炽灯 太阳照射下的 洁净雪面 人工照明时 书写、阅读 的纸面 10 距太阳70角的 晴朗天空 满月的表面 0.25 光度学中的基本原理光度学中的基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为 辐射的传播服从几何光学定律。 1 1、距离平方反比法则和照度的余弦法则：、距离平方反比法则和照度的余弦法则： 点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐 射（发光）强度I成正比，与点源和面元之间距离d 的平方成反比，与 面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见下图）。 E = I*cos/d2 图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则 2 2、叠加原理：、叠加原理： 若干辐射（光）源在一面元上建立的照度等于各辐射（光 ）源单独建立的照度之和。 3 3、均匀漫射面及其特性（朗伯定律）：、均匀漫射面及其特性（朗伯定律）： 均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射面） 在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面的法线成角的方 向上的辐射强度或发光强度I = I0 cos，I0为漫射面在法 线方向的辐射强度或发光强度。 4 4、阿贝定律（亮度不变性原理）：、阿贝定律（亮度不变性原理）： 若忽略光束在传输过程中的反射和吸收损失，光源的亮度 正比于测量点所处介质折射率的平方，即L=K*n2。若测量点与 光源处于相同的介质中，则光束的亮度不变。 半导体物理基础 补充2 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和 半导体。物质的导电特性取决于原子结构。 1914年，夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄 气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发 到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交 换的能量，直接证明了原子内部量子化能级 的存在。 补充2.1、能带理 论 能级（Enegy Level）：在孤立原子中 ，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一 壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子 具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。 为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条 条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称 为电子能级图。 v 原子能级与晶体能带 电子共有化，能级扩展为能带示意图 a) 单个原子 b) N个原子 v能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且 原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有51022 个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远 的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有 可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动 到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使 本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对 应的能级扩展为能带。 能带 (energy band) 量子力学计算表明，晶体中若有N 个原 子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立 原子的每一个能级,在晶体中变成了N 条靠得很 近的能级,称为能带。 一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽，E越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，E越大。 3. 两个能带有可能重叠。 v 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称 为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的， 此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电 子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带 。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没 有电子的能带称为空带。 v 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为 价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 v 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的 允许带称为导带。 v 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev ，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运 动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子 。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是 带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带 宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导 电性。 绝缘体、半导体、金属的能带图 a) 绝缘体 b) 半导体 c) 金属原子 （1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导 带中的电子在外场作用下运动而参与导电。 （3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。 （2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带， 导电性很差。 外 场 满带 导带 满带 导带 满带 导带 （1）半导体 禁带 禁带 外 场 （2） 绝缘体（3）金属 导体: 通常指电阻率为10-610-3cm的物质。 金属和合金一般都是导体，如铝、金、 钨、铜、镍铬等。导带与价带有一定程 度的重合（Eg=0），金属的价电子可以 在金属中自由运动，所以导电性好。 绝缘体: 通常电阻率 109 cm 。如SiO2、 SiON、Si3N4等。SiO2的Eg约为5.2eV。 它们能带能隙很大，可达到9 eV，电子 很难跳跃至导带，所以无法导电。 半导体: 导电特性处于导体和绝缘体 之间，能隙一般约为 1 3eV，只要给 予适当条件的能量激发，或是改变其能 隙之间距就能导电。导带中有一定数目 的电子，从而有一定的导电性，如硅为 1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV ，电阻率为10-3109cm。所以它们都 是半导体。 补充2.2 本征半导体与杂质半导体 v 现代固体电子与光电子器件大多由半导体材 料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子 有序排列，非晶体中原子无序排列。）晶体分 为单晶与多晶： v 单晶在一块材料中，原子全部作有规则 的周期排列。 v 多晶只在很小范围内原子作有规则的排 列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的 晶粒界隔开。 v本征半导体：就是没有杂质和缺陷的半导体。 结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例 如纯净的硅称为本征硅。本征硅中，自由电子和空穴 都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空 穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高 而增加，随禁带宽度的增加而减小，室温下硅的ni约 为1010/cm3。 v杂质半导体： 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体 ，杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用 控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子数都是四个。把硅或锗材料拉制成单晶 体时, 原子组成金刚石晶体结构，每个原子周围有四个 最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上， 任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该 两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键 夹角:10928，它有很强的结合力，使原子规则排列，形 成晶体。在常温下束缚电子很难 脱离共价键成为自由电子，因此 本征半导体中 的自由电子很 少，导电能力 很弱。 2.2.1 本征半导体 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对称为本征 激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填 补空穴，这种现象称为复合。本征半导体中自由电子与 空穴的浓度相等。对于硅材料, 在300K下，空穴的浓度 为1.41010CM-3。大约温度每升高, 本征载流子浓度ni 增加 1 倍。另外半导体载流子浓度还与光照等有关。 本征半导体中 电流由两部分组 成： 1. 自由电子移动 产生的电流。 2. 空穴移动产生 的电流。 2.2.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导 体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望 的各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是在 半导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能 量大幅降低，载流子浓度大大增加。 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 依据杂质不同可分为N 型半导体和P 型半导体两种。 本征半导体硅中掺入少量的 5 价元素磷、砷、锑 等。原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代 替。磷原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成 共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室 温下即可成为自 由电子，而磷原子 就成了不能移动带 正电的离子。在N 型半导体中自由 电子浓度远大于空 穴浓度。 1) N 型半导体 N型半导体（N Type semiconductor） 室温 T=300k + + +5 vN型半导体： 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原 子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体 。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价 原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价 键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚 力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易 被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由 电子。易释放电子的原子称为施主，施主束缚 电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带 中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差 称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料 导电性。 在本征半导体硅中掺入少量的 3 价元素硼。原来 晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子的 最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价 键时，产生一个空穴。这个空穴可能 吸引邻近的束缚电子 来填补，相当于空穴 电流向另一方向移动。 硼原子为不能移动的 带负电的离子。 2) P 型半导体 P型半导体（P type semiconductor） - - vP型半导体： 在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子 ，例如硼（B），形成P型半导体。晶体中某个硅原 子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的 硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子 的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体 中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了 一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。容 易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量 状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev 附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导 体由受主控制材料导电性。 *杂质半导体中的载流子浓度 本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi 掺杂半导体中（N or P）掺杂越多多子浓度少子浓度 杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离多子 本征激发少子 由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系： 1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。 N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子） 则有 nn.pn=ni2 P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子） Pp.np=ni2 2 电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型： No表示施主杂质浓度，则：nn=No+pn P型： NA表示受主杂质浓度， Pp=NA+np 由于一般总有Nopn NAnp 所以有 N型：nnNo 且： pn ni2/ND P型：ppNA npni2/NA 多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度ni2有关， 与温度无关 随温度升高而增加，是半导体 元件温度漂移的主要原因 多子浓度 少子浓度 v掺杂对半导体导电性能的影响： v 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中 产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这 些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直 接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有 少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价 带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电 导率。 3)杂质半导体特性 无论是N型或P型半导体，从总体上仍然保持着电中性。 1）掺杂特性：掺杂可明显改变半导体的电导率，对不同区域的 半导体材料进行不同类型和浓度掺杂，可以形成各类晶体管，制 造出各种不同的半导体器件。 2）热敏特性：半导体受热时，其导电能力发生显著变化。利用 它可制成热敏器件。 3）光敏特性：光照可改变半导体的电导率。利用它可以制成光 敏电阻、光电晶体管、光电耦合器 等。 4）金属与掺杂半导体材料接触，形成肖特基二极管、金属-半导 体场效应管、高电子迁移率晶体管等器件。 2.3 费米能级与热平衡态下的载流 子 v 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导 体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不 断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导 带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在 热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量 的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合 。在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称 为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。 v 热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数 有关：一是在能带中能态（或能级）的分布，二是这 些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。 v 根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服 从费米统计分布规律。 在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占 据的概率由费米-狄拉克函数给出，即 v 费米-狄拉克函数曲线 f(E)：费米分布函数， 能量E的概率函数; k：波耳兹曼常数， 1.3810-23J/K; T：绝对温度; EF ：费米能级。 以EF来定性表示两能带中载流子的浓度 a) 重掺杂P型 b) 轻掺杂P型 c) 本征型 d) 轻掺杂N型 e) 重掺杂N型 vEF 为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”，它定性 表示导带中电子或价带中空穴的多少。当E= EF 时， f(E)=1/2，它并不代表可为电子占据的真实能级，只是 个参考能量。在量子统计中EF 应视为固体中电子的化 学势。常温下EF 随材料掺杂程度而变化。 半导体导电特性 掺入杂质则导电率增加几百万倍掺杂特性半导体器件 温度增加使导电率大为增加热敏特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性 光敏器件 光电器件 物理性质： 原子序数:14，相对原子量:28.09，有无定形和晶体 两种同素异形体。晶体硅钢灰色，无定形硅黑色，密 度密度2.33g/cm3 ，熔点1420，沸点2355，莫氏硬度 为7 。晶格常数0.543089nm，原子密度5.001022，共价半 径： 0.117nm。 化学性质： 硅在常温下不活泼。但可与氢氟酸及其混合酸反 应，生成SiF4或H2SiF6 。 在高温下能与氧气等 多种元素化合。 硅的性质 硅的制备 工业上，硅通常是在电炉中由碳还原二 氧化硅而制得。化学反应方程式： SiO2 + 2C Si + 2CO。 这样制得的硅纯度为9798%， 叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除 去杂质，得到纯度为99.799.8%的金属硅。 要将它制成半导体用硅，还要将其转化成易 于提纯的液体或气体形式，如四氯化硅，再 经蒸馏分解过程得到多晶硅。区熔提纯等处 理方法可得到高纯度的硅。 补充2.4 PN 结及其单向导电性 在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成 相邻的P型半导体 区和 N型半导体 区，在这两个区的 交界面处就形成了的 PN结。 浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 一、平衡状态的PN结 扩散运动： P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界 ）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必 然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓 度差而引起的运动称为扩散运动。扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽。 形成耗尽层和PN 结。 漂移运动： 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻 挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内部形成电 场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴 向P区漂移，P区的电子向N区漂移。内电场越强，漂 移运动也越强，漂移运动将使空间电荷区变薄。 PN结的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流 逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐 渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到 稳定。 空间电荷区的宽度约为零点几微米 几 十微米； 硅内电场，约为(0.6 0.8) V, 锗内电场，约为(0.2 0.3) V。 下图是PN结形成接触电位差后，处于平衡状态时的能带图 。左边是N区，右边是P区，中间是空间电荷区；右边的前头表 示P区能带比N 区高qUD，它是由接触电位差所引起的。 图中能带虽是弯曲的，而费米能级则贯穿PN结，保持为一 条水平横线。这是平衡PN结的特征，它表示各处费米能级相等 ，电子处于相对平衡，没有电流流动。 热平衡下P-N结模型及能带图 热平衡态下的P-N结 vP-N结能带与接触电势差： v 在热平衡条件下，结区有统一的EF。 从能带图看，N型、P型 半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密 接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空 穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指 向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移， EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP ，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲 ，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级 之差： vqUD=EFN-EFP，得：UD=(EFN-EFP)/q ；其中， q为电子电量； vUD：接触电势差或内建电势，对于在耗尽区以外的状态： vUD=(KT/q)ln(NAND/ni2)；其中，NA、ND、ni：受主、施主、本征 载流子浓度。 v可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越 高，UD越大。禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。 v空间电荷区 在PN结的交界面附近，由于扩 散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在 P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成 的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽 层，垫垒区。 v内部电场由空间电荷区（即PN结的交界面两 侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P 区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩 散，加速少子的漂移。 v耗尽层在无外电场或外激发因素时，PN结处 于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时 空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。 v PN结根据耗尽层的宽度分为对称结与不对 称结： v 对称结 两个区（P区和N区）内耗尽 层相等。（杂质浓度相等）。 v 不对称结 杂质浓度高的侧耗尽层宽 度小于杂质浓度低的一侧，这样的PN结为不对 称结。 电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。PN结加正向电 压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结 导通； 外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂 移运动多子扩散形成正向电流 二、 PN 结的正偏 电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 PN结加反向电 压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN 结截止。 外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩 散运动少子漂移形成反向电流 三、 PN结的反偏 由此可以得出由此可以得出 结论：结论：PNPN结具结具 有单向导电性有单向导电性 伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。 导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿 电压UBR 综上所述： 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一 个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常 小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。 半导体对光的吸收 v 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的 工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导 体内的光强遵照吸收定律： vIx=I0(1-r)e-x vIx：距离表面x远处的光强 vI0：入射光强 vr：材料表面的反射率 v：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关 光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收 本征吸收与非本征吸收 v本征吸收: 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带 ，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种 吸收过程叫本征吸收。 产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少 要等于材料的禁带宽度Eg。即 vhEg 从而有: v0Eg/h v0h/Eg=1.24meV/Eg 其中，h：普朗克常数；c：光速；0：材料的频率阈值； 0：材料的波长阈值 v非本征吸收： 非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。 v杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到 导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多 在红外区或远红外区。 v自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它 在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为 红外吸收。 v激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但 因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持 着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸 收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。 v晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格 的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收 。在宏观上表现为物体温度升高，引起物质的热敏效应。 半导体对光的吸收主要是本征吸收。对于硅材料，本征吸收 的吸收系数比非本征吸收的吸收系数要大几十倍到几万倍，一 般照明下只考虑本征吸收，可认为硅对波长小于1.15m的可见 光透明。 非平衡态下的载流子 v 半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用 、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时 系统的状态称为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡 状态时浓度的增量称为非平衡载流子。 v电注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使 热平衡受到破坏。 v光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中 的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价 带中留下等量的空穴。 1产生与复合 v 使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生，单位时间、单位 体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。 v 使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合，单位时间、单 位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。 v 以N型半导体为例，在非平衡状态下载流子浓度为： vnnnn0+nn vpnpn0+pn vnnpn vnn：N型半导体中多数载流子电子的浓度 vpn：N型半导体中少数载流子空穴的浓度 vnn0：光照前一定温度下热平衡时电子的浓度 vpn0：光照前一定温度下热平衡时空穴的浓度 vnn：非平衡载流子电子的浓度 vpn：非平衡载流子空穴的浓度 在光照过程中，产生与复合同时存在，在恒 定持续光照下产生率保持在高水平，同时复合 率也随非平衡载流子的增加而增加，直至二者 相等，系统达到新的平衡。当光照停止，光致 产生率为零，系统稳定态遭到破坏，复合率大 于产生率，使非平衡载流子浓度逐渐减少，复 合率随之下降，直至复合率等于热致的产生率 时，非平衡载流子浓度将为零，系统恢复热平 衡状态。 2复合与非平衡载流子寿命 复合是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量 。 v非平衡载流子寿命：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表 征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特 性，采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系。的大小 与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。 v三种复合机制： v直接复合：导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。 v通过复合中心复合：复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合 包括四种情况：电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从复合中心落入 价带称空穴俘获；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从价带被激 发到复合中心称空穴发射。 v表面复合：材料表面在研磨、抛光时会出现许多缺陷与损伤，从而产生大量 复合中心。发生于半导体表面的复合过程称为表面复合。 通过复合中心进行的复合-产生过程 1电子俘获 2空穴俘获 3电子发射 4空穴发射 载流子的输运扩散与漂移 v漂移： 载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运 动，空穴向负电极方向运动称为漂移。 在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体 会偏离欧姆定律。在弱电场作用下，半导体中载流子 漂移运动服从欧姆定律。 v讨论漂移运动的重要参量： 迁移率（电子迁移率n，空穴迁移率p）， 的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作 用。 v 从欧姆定律的微分形式： vj=E vj：电流密度 v：材料导电率 vE：电场强度 v 从电流密度的定义： vj=nq vn：电子浓度 vq：电子电量 v：电子漂移平均速度 v故nq=E（上面两式恒等） v=(/nq)E=nE v表明电子漂移的平均速度与场强成正比。 v扩散： v 载流子因浓度不均匀而 发生的从浓度高的点向浓度 低的点运动。 v 下图为光注入，非平衡 载流子扩散示意图。光在受 照表面很薄一层内即被吸收 掉。受光部分将产生非平衡 载流子，其浓度随离开表面 距离x的增大而减小，因此 非平衡载流子就要沿x方向 从表面向体内扩散，使自己 在晶格中重新达到均匀分布 。 v 扩散流面密度j与浓度梯度dN(x)/dx成正比： vj=-DdN(x)/dx vD为扩散系数，表征非平衡载流子扩散能力。式中 负号表示扩散流方向与浓度梯度方向相反。 v 下列关系式成立： v(-DdN(x)/dx)x - (-DdN(x)/dx)x+x=N(x)x/ v：非平衡载流子平均寿命 v非平衡载流子沿x轴分布是在边扩散边复合中形成的 ，定态下，N(x)分布稳定，单位时间内复合的非平衡 载流子数必然要靠净扩散流补偿。 v 上式两边同除以x，并对等号左边取x0极限 得扩散方程： vd2N(x)/dx2=N(x)/(D) v利用边界条件x=0,N(x)=N0；x=,N(x)=0，得 vN(x)=N0e-x/L vL=(D)1/2称为扩散长度，表示N(x)减小到的N0的1/e时所对应 的距离x。光生的非平衡载流子复合有光后，在复合前扩散的距 离有远近之分，从而形成N(x)分布曲线。L表示非平衡载流子复 合前在半导体中扩散的平均深度。 v 在扩散与漂移同时存在（半导体既受光照，又外加电场时 ）的情况下，扩散系数D（D表示扩散的难易）与迁移率（表 示迁移的快慢）之间有爱因斯坦关系式： vD=(kT/q) vkT/q为比例系数，室温下为0.026V。 vD与成正比。 v 电子与空穴沿x轴扩散，但DnDp，故它们引起的扩散流不 能抵消。在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比 少子多，所以漂移流主要是多子的贡献；在扩散情况下，如光 照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以 对扩散流的贡献主要是少子。 本征情况可作为参考标准，用以说明器件的温度限制。因为PN 结是依靠N型和P型材料中多子和少子的浓度差来工作的，所以， 一旦温度高到ni可以和掺杂浓度相比时，器件就不再能正常工作了 。下表列出了几种不同掺杂浓度的硅和锗， ni 达到杂质浓度时的温 度。从表中可以看到，硅器件可以比锗器件使用于更高的温度。其 原因是硅有更大的禁带宽度，其本征载流子浓度比锗低得多。 *请关注的两个特点 ： （1）本征载流子浓度ni 随温度的上升而迅速增加 : 掺杂浓度 硅 锗 1014 450K(1800C) 370K(1000C) 1015 530K(2600C) 430K(1600C) 1016 600K(3300C) 510K(2400C) （2）不同掺杂浓度和温度下，N型和P型硅中费米能级的 位置 v每条曲线代表一个确定的掺杂浓度，横座标是温度，纵座标 给出费米能级在禁带中的位置(以中间为0线)。0线以上的曲线 代表N型，曲线从左到右向下倾斜，它表示随着温度的升高， 费米能级逐渐趋近于禁带的中间。0线以下的曲线代表P型， 费米能级也随温度趋向禁带中间。 2.1 光电检测器件的物理基础 光电效应 一、光电效应 物质质在光的作用下，不经经升温而直接引起物质质中 电电子运动动状态发态发 生变变化，因而产产生物质质的光电导电导 效应应、光生伏特效应应和光电电子发发射等现现象。 在理解上述定义时义时 ，必须须掌握以下三个要点： 原因：是辐辐射，而不是升温； 现现象：电电子运动动状态发态发 生变变化； 结结果：电导电导 率变化、光生伏特、光电电子发发射 。 简单记为简单记为 ：辐辐射电电子运动动状态发态发 生变变化 光电导电导 效应应、光生伏特效应应、光电电子发发射。 光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因 光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中 的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚 时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核 的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光 电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起 作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的 温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就 不是光电效应，而是热电效应。 光与物质的作用实质是光子与电子的作用， 电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。 由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的 作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不 同的规律，因而导致了不同的光电效应。 外光电效应 光电子发射 光电效应 光电导效应 内光电效应 光生伏特效应 丹倍效应 光磁效应 二、光电效应分类 外光电效应，是指物质受光照后而激发 的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真 空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属 氧化物。 内光电效应,是指受光照而激发的电子在 物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面 。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可 分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光 磁电效应等。 外光电效应和内光电效应的主要区别在于 ：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成 光电子流，而后者则在物质内部参与导电。 三、 光电效应的物理现象 （一） 光电导效应（1873年） 半导体材料受光照时，由于对光子的吸收 引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增 大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。 （1）光电导率：假设在辐射作用下，由于吸 收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量 分别为n及p，则在光照稳定情况下光电导体 的电导率变为 （2） 本征半导体的光电导电导 效应应 光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光 子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成为 自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时 ，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增 加。 光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是 （） 能够激发电子的光辐射长波限为 （2） 其中，的单位为电子伏特（1eV=1.602E-19 J, e=1.602E- 19 C）; 为普朗克常数，其值为 ； （3）杂质半导体的光电导电导 效应应 N型光电导体，主要是光子激发施主能级中的 电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加 了自由电子的浓度。 P型光电导体，主要是光子激发价带中的电子 跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而 在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电。 增加了空穴的浓度。 只要光子能量满足 就能激发出 光生载流子。 相应的杂质光电导体的长波限为 （3） （4）光电导的弛豫 光电导是一种非平衡载流子效应，因此 有弛豫现象。 光照到物体后，光电导逐渐增加，最后 达到定态。光照停止后，光电导在一段时 间内逐渐消失，这种现象表现了光电导对 光强变化反应的快慢，光电导上升或下降 的时间就是弛豫时间，或称为响应时间（ 惰性）。从实际应用将讲，其决定了在迅 速变化光强下，能否有效工作。从光电导 的机理看，弛豫表现为在光强变化时，光 生载流子的积累和消失过程。 矩形脉冲光照弛豫过程图 对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时 间常数r和下降时间常数f来描述弛豫过程的长 短。r表示光生载流子浓度从零增长到稳态值 63%时所需的时间，f表示从停光前稳态值衰 减到37%时所需的时间。 （5）光电导增益 光电导体的外电流与光电流的比。 设光电导体的长度为L，截面积为A；光照下在杂质半 导体光电导器件中，每秒产生N个电子（或空穴，以下 设为电子）；电子的平均寿命为 ；电子迁移率n；;则 其中其中t tdr dr为载流子的渡越时间 为载流子的渡越时间 （二）光生伏特效应 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半 导体中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电 位差的现象。即将光能转化成电能。 不均匀半导体：由于半导体对光的吸收，内建 电场使载流子定向运动而产生电位差。（像PN 结、异质结、肖特基结） 均匀半导体：无内建电场，半导体对光的吸收