第3章探测器的基本原理

1、光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的理论基础简介简介 光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理效应的器件。探测器分类：度量物理效应的器件。探测器分类： 光电探测器光电探测器 真空光电器件：真空光电器件：光电管、光电倍增管、 真空摄像管、变像管、象增强器。 固体光电器件固体光电器件：光敏电阻、光电池等等 热探测器热探测器： 热电偶热电堆、热释电探测器热电偶热电堆、热释电探测器等等等等3.1 3.1 半导体基础半导体基础回忆回忆. 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体 金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体

2、：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。一、半导体的结构一、半导体的结构 电子器件所用的半导体具有晶体结构，电子器件所用的半导体具有晶体结构，大多数是晶体材料。大多数是晶体材料。 晶体分为晶体分为单晶单晶和和多晶多晶。单晶：单晶：在一块材料中原子全部按照有规则的周在一块材料中原子全部按照有规则的周期性排列，这种晶

3、体成为单晶。期性排列，这种晶体成为单晶。多晶：多晶：只在很小范围内原子有规则的排列，形只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开，这种材料称为多晶。界隔开，这种材料称为多晶。1 1、电子的共有化运动、电子的共有化运动 在孤立原子中电子遵守在孤立原子中电子遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原理。能量最低原理。泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中同一能级的核外电子原子中同一能级的核外电子轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是子层中可能容纳轨道数是n n2

4、 2个、每层最多容纳个、每层最多容纳电子数是电子数是2n2n2 2 。能量最低原理：能量最低原理：核外电子总是先占有能量最低核外电子总是先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。依次进入能量较高的轨道。 在半导体中，原子之间距离很近，使原子在半导体中，原子之间距离很近，使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。以的各个壳层之间有不同程度的交叠。以硅和锗的共价键结构为例：硅和锗的共价键结构为例：电子共有化运动的过程 壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳

5、层上去，也可能从相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，这样原子有可邻原子运动到更远的原子壳层上去，这样原子有可能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为电子的电子的共有化运动共有化运动。共有化运动只能共有化运动只能在原子中相似的在原子中相似的壳层间进行壳层间进行2 2、能带结构、能带结构(energy band)(energy band) 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，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原来孤立原

6、子的每一个能级, ,变成了变成了N N条靠条靠得很近的能级得很近的能级, ,称为能带。称为能带。能带的宽度记作能带的宽度记作 E ，数量级，数量级为为 EeV。 若若N1023,则能带中两能级的则能带中两能级的间距约间距约10-23eV。一般规律：一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽， E 越大。越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E 越大。越大。 3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图原子能级分裂成能带的示意图1.1.满带满带：能带中各能级都被电子填满。：能带中各能级

7、都被电子填满。满带中的电子不能起导电作用满带中的电子不能起导电作用 晶体加外电场时，电子只能在带内不同能晶体加外电场时，电子只能在带内不同能级间交换，不能改变电子在能带中的总体级间交换，不能改变电子在能带中的总体分布。分布。满带中的电子由原占据的能级向带内任一满带中的电子由原占据的能级向带内任一能级转移时，必有电子沿相反方向转换，能级转移时，必有电子沿相反方向转换，因此，不会产生定向电流，不能起导电作因此，不会产生定向电流，不能起导电作用。用。2.2.空带空带：所有能级均未被电子填充的能带。所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空

8、着；况下空着；当有激发因素当有激发因素( (热激发、光激发热激发、光激发) )时，价时，价带中的电子可被激发进入空带；带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。成电流。所以，空带也是导带。3.3.导带导带：被电子部分填充的能带。被电子部分填充的能带。在外电场作用下，电子可向带内未被填在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，因而可形成电流。充的高能级转移，因而可形成电流。 价带价带：价电子能级分裂后形成的能带。价电子能级分裂后形成的能带。 有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能是

9、满带。有的晶体的价带也可能是满带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。 4.4.禁带禁带：在能带之间的能量间隙区，电子：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。不能填充。禁带的宽度对晶体的禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。导电性有重要的作用。若上下能带重叠，其若上下能带重叠，其间禁带就不存在。间禁带就不存在。 满带满带 空带空带 禁带禁带E允带：允带：允许被电子占据的能带称为允带。允许被电子占据的能带称为允带。禁带：禁带：允带之间的范围是不允许电子占据的，允带之间的范围是不允许电子占据的，这个范围称为禁带。这个范围称为禁带。满带：满带：被电子占满的允带称为满带。满带不导被

10、电子占满的允带称为满带。满带不导电。电。价带：价带：晶体最外层电子壳层分裂成的能带。晶体最外层电子壳层分裂成的能带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。（1） 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。

11、制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本

12、征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流

13、+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制导带：导带：比价带能量更高的允许带称为导带。比价带能量更高的允许带称为导带。导带中的电子称为导带中的电子称为自由电子自由电子。价带中出现电子的空穴称为价带中出现电子的空穴称为自由空穴自由空穴。自由电子和自由空穴统称为自由电子和自由空穴统称为载流子载流子。 禁带宽度小者，电子容易跃迁到导带，所禁带宽度小者，电子

14、容易跃迁到导带，所以导电性能高。以导电性能高。 锗的禁带宽度比硅的小，所以其导电性随锗的禁带宽度比硅的小，所以其导电性随温度变化比硅更显著。温度变化比硅更显著。(2). 杂质半导体杂质半导体. N 型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、G等，掺入少量五价等，掺入少量五价的杂质（的杂质（impurity）元素（如）元素（如P、As 等）形成电等）形成电子型半导体子型半导体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处禁带中紧靠导带处, ED10-2eV，极易形成电子，极易形成电子导电。导电。该

15、能级称为施主（该能级称为施主（donor）能级。）能级。 n 型半导体型半导体 在在n 型半导体中：型半导体中： 电子电子多数载流子多数载流子导带导带价带价带施主能级施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少数载流子少数载流子 施主施主(donor)(donor)能级能级：这种杂质能级因靠这种杂质能级因靠近导带，杂质价电子极易向导带跃迁。因近导带，杂质价电子极易向导带跃迁。因向导带供应自由电子，所以这种杂质能级向导带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。称施主能级。 因搀杂因搀杂( (即使很少即使很少) )，会使导带中自由，会使导带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的电

16、子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。了半导体的导电性能。 其导电机制：杂质中多余电子经激发后其导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到导带而形成的。跃迁到导带而形成的。 2.型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、Ge 等，掺入少量三价的等，掺入少量三价的杂质元素（如等）形成空穴型半导体，称杂质元素（如等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠价带处，级在禁带中紧靠价带处， ED10-2eV，极易

17、，极易产生空穴导电。产生空穴导电。该能级称受主（该能级称受主（acceptor）能级。）能级。导带导带Ea价带价带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg在在p型半导体中：型半导体中： 空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子这种杂质的能级紧靠价带顶处，这种杂质的能级紧靠价带顶处， E EA10A10-1-1eVeV，价带中的电子极易跃入此杂质能级，使价带价带中的电子极易跃入此杂质能级，使价带中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称受主受主(acceptor)(acceptor)能级能级。这种搀杂使价带中的空穴

18、的浓度较纯净半导这种搀杂使价带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。这种杂质半导体称空穴体的导电性能增强。这种杂质半导体称空穴型半导体，或型半导体，或p p型半导体。型半导体。 导电机制：主要是由价带中空穴的运动形成导电机制：主要是由价带中空穴的运动形成的。的。杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关二、热平衡条件下的载流子的浓度二、热平衡条件下的载流子的浓度载流

19、子浓度：载流子浓度：是指单位体积内的载流子数。是指单位体积内的载流子数。激发：激发：电子从不断热振动的晶体中获得一定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。时在价带中出现自由空穴。复合：复合：在热激发的同时也有电子从导带跃迁到在热激发的同时也有电子从导带跃迁到价带并向晶格放出能量，这就是电子空穴的价带并向晶格放出能量，这就是电子空穴的复合。复合。 在一定温度下激发和复合形成平衡，我们在一定温度下激发和复合形成平衡，我们称为称为热平衡热平衡。1 1、能级密度、能级密度 指在导带和价带内单位体积，单位能

20、量能级数目，指在导带和价带内单位体积，单位能量能级数目，用用N(E)N(E)表示。表示。导带内的能级密度：导带内的能级密度：价带内的能级密度：价带内的能级密度：21c23e3EEm2h4EN/*)()()(21v23p3EEm2h4EN/*)()()(N(E)N(E)为在电子能量为在电子能量E E处的能级密度。处的能级密度。h h为普朗克常数。为普朗克常数。2 2、费米能级电子占据率、费米能级电子占据率电子遵循费米电子遵循费米- -狄拉克（狄拉克（Fermi-DiracFermi-Dirac）统计统计分布规律。能量为分布规律。能量为E E的一个独立的电子态被的一个独立的电子态被一个电子占据的几

21、率为一个电子占据的几率为 电子的费米分布函数TkEEn0Fe11Ef为波尔兹曼常数0k E EF F称为费米能级或费米能量，它和温称为费米能级或费米能量，它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。以及能量零点的选取有关。 E EF F是一个很重是一个很重要的物理参数，只要知道了要的物理参数，只要知道了E EF F的数值，在的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定。布就完全确定。费米分布函数的特性费米分布函数的特性 当当T=0K T=0K 时：时： 若若EEEE EF F, ,则则f

22、(E)=0f(E)=0 即在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态即在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态 被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上都有电子；而能量比上都有电子；而能量比EFEF大的量子态，被电子占据大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。故在绝对零度时，费米能级的。故在绝对零度时，费米能级EFEF可看成量子态是可看成量子态是否被电子占据的一个界限。否被电子占据的一个界限。当当T0KT0K时：时：若若EEE1/2f(E)1/2若若E=EE=EF F, ,则则f(

23、E)=1/2f(E)=1/2若若EEEEF F, ,则则f(E)1/2f(E)1/2上述结果说明：上述结果说明： 当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。而当量子态的能量等于费米能级时，则该量子态而当量子态的能量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的几率是百分之五十。被电子占据的几率是百分之五十。E

24、 EF F的意义的意义: : E EF F的位置比较直观地反映了电子占的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。即标志了电子填充能据电子态的情况。即标志了电子填充能级的水平。级的水平。E EF F越高，说明有较多的能量越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据。较高的电子态上有电子占据。 在强在强p p型中，导带中电子最少，价带中电子型中，导带中电子最少，价带中电子也最少，所以可以说，强也最少，所以可以说，强p p型半导体中，电子型半导体中，电子填充能带的水平最低，填充能带的水平最低，E EF F也最低。弱也最低。弱p p型中，型中，导带和价带电子稍多，能带被电子填充的水平导带和价带电子

25、稍多，能带被电子填充的水平也稍高，所以也稍高，所以E EF F也升高了。无掺杂，导带和价也升高了。无掺杂，导带和价带中载流子数一样多，费米能级在禁带中线附带中载流子数一样多，费米能级在禁带中线附近。弱近。弱n n型，导带及价带电子更多了，能带被型，导带及价带电子更多了，能带被填充水平也更高，填充水平也更高， E EF F升到禁带中线以上，到升到禁带中线以上，到强强n n型，能带被电子填充水平最高，型，能带被电子填充水平最高， E EF F也最高。也最高。 EC Ei Ev 强强p型型弱弱p型型本征型本征型强强n型型弱弱n型型在价带中，知道了电子的占据概率，可求出空穴在价带中，知道了电子的占据概

26、率，可求出空穴的占据概率，也就是不被电子占据的概率：的占据概率，也就是不被电子占据的概率：TkEEnp0Fe11Ef1f)(E)在导带中能级为在导带中能级为E E的电子浓度等于的电子浓度等于E E处的能处的能级密度和可被电子占据的概率的乘积：级密度和可被电子占据的概率的乘积：)()()(EfENEnn3 3、平衡载流子浓度、平衡载流子浓度在一定温度在一定温度T T下，产生过程与复合过程之间下，产生过程与复合过程之间处于动态的平衡，这种状态就叫处于动态的平衡，这种状态就叫热平衡状态。热平衡状态。 处于热平衡状态的载流子处于热平衡状态的载流子n n和和p p称为称为热热平衡载流子平衡载流子。它们保

27、持着一定的数值。它们保持着一定的数值。 在整个导带中总的电子浓度是在导带在整个导带中总的电子浓度是在导带底底EcEc以上所有能量状态上的积分。积分以上所有能量状态上的积分。积分结果为：结果为：TkEE3230p0vFehTkm22p*同同理理TkEE3230n0fcehTkm22n*价带顶有效状态密度导带底有效状态密度令3230*pv3230*nchTkm22NhTkm22N 4eNp3eNnTkEEvTkEEc0vF0Fc则则将将(3)(4)(3)(4)两式相乘得到两式相乘得到: :TkEgvcTkEEvc00vceNNeNNpn由此得到：由此得到：（1 1）在每种半导体中平衡载流子的电子数

28、和空）在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积与费米能级无关穴数乘积与费米能级无关（2 2）禁带宽度）禁带宽度EgEg越小，乘积越大，导电性越好越小，乘积越大，导电性越好（3 3）半导体中的载流子浓度随温度的增大而增）半导体中的载流子浓度随温度的增大而增大。大。 可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定于温度于温度T T，与所含杂质无关；而在一定温度，与所含杂质无关；而在一定温度下对不同的半导体材料，因禁带宽度不同下对不同的半导体材料，因禁带宽度不同而不同。而不同。 这个关系式不论是本征

29、半导体还是杂质这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导体都普通适用，在讨论许多实际问题时常常体都普通适用，在讨论许多实际问题时常常引用。引用。 还说明，对一定的半导体材料，在一定还说明，对一定的半导体材料，在一定的温度下，的温度下，npnp的乘积是一定的。换言之，当的乘积是一定的。换言之，当半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘积保持恒定，如果电子浓度增大，空穴浓积保持恒定，如果电子浓度增大，空穴浓度就要减小；反之亦然。度就要减小；反之亦然。 （1）当材料一定时，）当材料一定时，n0、p

30、0随随EF和和T而而变化；变化； （2）当温度）当温度T一定一定时，时， n0p0仅仅仅仅与本征材料相关。与本征材料相关。TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEgvc000eNNpn由下式可知由下式可知4 4、 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体：本征半导体：满足满足n n0 0=p=p0 0=ni=ni的半导体就是的半导体就是本征半导体。本征半导体。 在室温（在室温（RT=300KRT=300K）下：）下： ni ni （GeGe）2.12.110101313cmcm-3 -3 ni ni （SiSi）1.31.310101010cm-cm-3 3 ni

31、ni （GaAsGaAs）1.11.110107 7cmcm-3-3 在热平衡态下，半导体是电中性的： n0=p0 TkEEv0TkEEc00vF0FceNpeNnTkEEvTkEEc0vF0FceNeN即得到即得到： 之积只与本征材料相关与式说明非简并半导体的00pn6 4NNln2TkENNln2TkEE21Ecv0icv0vcF 就得到本征载流子浓度或式又代回324 6npn2i00且Tk2EvcooiogeNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconducto

32、rs由（由（5 5）式可以见到：）式可以见到：1、温度一定时，Eg大的材料，ni小； 2、对同种材料， ni随温度T按指数关系上升。 Tk2Evc00i0geNNpnnCarriers Density of Intrinsic SemiconductorsCarriers Density of Intrinsic Semiconductors5 5、掺杂半导体的载流子浓度：、掺杂半导体的载流子浓度：N N型半导体，施主原子的多余价电子易进型半导体，施主原子的多余价电子易进入导带，使导带中的自由电子数目增入导带，使导带中的自由电子数目增多高于本征半导体的电子浓度，则分多高于本征半导体的电子浓度，

33、则分别为：别为：d2ididNnpNpNnNdNd为为n n型半导体中掺入的施主原子的浓度型半导体中掺入的施主原子的浓度N型半导体的费米能级：idiidfifnnNkTEnNkTEElnln由上式可见，由上式可见，n n型半导体中的费米能级位于型半导体中的费米能级位于禁带中央以上，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央以上，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近导带底。禁带中央越远，愈靠近导带底。P P型半导体，受主原子易从价带中获得电子，型半导体，受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由电子浓度将高于本征半导价带中的自由电子浓度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。设掺入的受主原体中的自由空穴浓

34、度。设掺入的受主原子的浓度为子的浓度为NaNa，则，则a2iaiaNnnNnNpP型半导体的费米能级：iaifpnNkTEEln由上式可见，由上式可见，p p型半导体中的费米能级位于型半导体中的费米能级位于禁带中央以下，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央以下，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近价带顶。禁带中央越远，愈靠近价带顶。三、半导体中的非平衡载流子三、半导体中的非平衡载流子 半导体器件通过外部注入载流子或用光激半导体器件通过外部注入载流子或用光激发方式而使载流子浓度超过热平衡时的浓度，发方式而使载流子浓度超过热平衡时的浓度，这些超出部分的载流子通常称为非平衡载流子这些超出部分的载

35、流子通常称为非平衡载流子或过剩载流子。或过剩载流子。 相应的：相应的：n=n0+n=n0+n n p=p0+ p=p0+p p 且：且：n=n=p p 非平衡载流子：非平衡载流子： n n 和和p p（过剩载流子）（过剩载流子）1 1、材料的光吸收、材料的光吸收（1 1）本征吸收）本征吸收 对于本征半导体在一定温度下载流子浓度达对于本征半导体在一定温度下载流子浓度达到平衡后，再受光照时，价带中的电子吸收光到平衡后，再受光照时，价带中的电子吸收光子能量而迁移到导带，在价带中留下空穴，这子能量而迁移到导带，在价带中留下空穴，这时电子空穴的浓度都增大，则这个过程我们时电子空穴的浓度都增大，则这个过程

36、我们称为本征吸收。称为本征吸收。要发生本征吸收，光子能量必须大于材料禁带宽要发生本征吸收，光子能量必须大于材料禁带宽度，因此在长波方向存在一个界限：度，因此在长波方向存在一个界限：)(.mE241Ehcgg0（2 2）杂质吸收）杂质吸收 掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁导带。同样中性受主的束缚子可以吸收光子而跃迁导带。同样中性受主的束缚空穴也可以吸收光子而跃迁到导带，这种吸收为杂空穴也可以吸收光子而跃迁到导带，这种吸收为杂质吸收。质吸收。 施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到

37、价带所需的能量称为电离能。杂质吸收光的长波限：价带所需的能量称为电离能。杂质吸收光的长波限：)(.)(.mE241EhcmE241Ehcaa0dd0（3 3）其他吸收）其他吸收其他还有自由载流子吸收，晶格吸收等，其他还有自由载流子吸收，晶格吸收等，这些吸收很大程度上是将能量转换成热这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发发载流子浓度，能，增加热激发发载流子浓度，引起光电导现象主要是本征吸收杂质吸引起光电导现象主要是本征吸收杂质吸收。收。2 2、非平衡载流子浓度、非平衡载流子浓度 光照射半导体材料时，在本征半导体光照射半导体材料时，在本征半导体中电子吸收能量大于禁带宽度的光子，中电子吸收

38、能量大于禁带宽度的光子，并产生了电子空穴对即光生载流子。如并产生了电子空穴对即光生载流子。如果光照突然停止，光生载流子不再产生，果光照突然停止，光生载流子不再产生，而载流子浓度因复合而减小。而载流子浓度因复合而减小。复合的种类：间接直接复合。复合的种类：间接直接复合。直接复合：直接复合：晶格中运动的自由电子直接由晶格中运动的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合。导带回到价带与自由空穴复合。间接复合：间接复合：自由电子自由空穴通过禁带自由电子自由空穴通过禁带中的复合中心间接进行复合。中的复合中心间接进行复合。复合对光生载流子浓度的影响？复合对光生载流子浓度的影响？光生载流子的平均生存时间称为

39、光生载流子的寿命。光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命。半导体中，光生电子空穴对的直接复合率与载流子半导体中，光生电子空穴对的直接复合率与载流子浓度成正比。浓度成正比。解得方程：解得方程：dttnddttdn)()(/)()()(ttBne0ne0ntn0)(0n为光照刚停时得光生载流子浓度为光照刚停时得光生载流子浓度， )/(0Bn1为载流子浓度下降得衰减系数。为载流子浓度下降得衰减系数。四、载流子得扩散与漂移四、载流子得扩散与漂移1 1、扩散、扩散 当材料得局部位置收到光照，材料吸收当材料得局部位置收到光照，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置得载流子浓光子产生载流子，在这局部位置

40、得载流子浓度就比平均浓度高。这时电子将从浓度高得度就比平均浓度高。这时电子将从浓度高得点向浓度低得点运动，是自己在晶体中重新点向浓度低得点运动，是自己在晶体中重新达到均匀分布，这种现象称为扩散。达到均匀分布，这种现象称为扩散。 单位面积得电流称为扩散电流，正比于光单位面积得电流称为扩散电流，正比于光生载流子得浓度梯度。生载流子得浓度梯度。扩扩散散系系数数分分别别为为电电子子（孔孔穴穴）的的密密度度矢矢量量电电子子（孔孔穴穴）扩扩散散电电流流pnpdndppdnndDDJJdtdpqDJdtdnqDJ,2 2、漂移、漂移在外电场作用下，电子向正极方向运动，空穴在外电场作用下，电子向正极方向运动，

41、空穴向负极方向运动，这种运动称为漂移。向负极方向运动，这种运动称为漂移。在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度矢量为：矢量为：xppExnnEEnqJEnqJ当扩散和漂移同时存在得时候总得电子电流当扩散和漂移同时存在得时候总得电子电流密度矢量和空穴电流密度矢量分别为：密度矢量和空穴电流密度矢量分别为：dtdpqDEnqJJJdtdnqDEnqJJJpppEpdpnnnEndn总电流密度为两者之和。总电流密度为两者之和。3.2 3.2 半导体的光电效应半导体的光电效应光电效应的分类：光电效应的分类：1 1、内光电效应：、内光电效应： 材料在吸收光子能量后

42、，出现光生电子空穴，由材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此引起电导率变化和电流电压现象，称之为内光电此引起电导率变化和电流电压现象，称之为内光电效应。效应。 内光电效应制成的器件有两大类：光电导和光生内光电效应制成的器件有两大类：光电导和光生伏特效应的两大器件。含有光敏电阻，伏特效应的两大器件。含有光敏电阻，SPRITESPRITE探测探测器、光电池、光电二极管、三极管和场效应管等。器、光电池、光电二极管、三极管和场效应管等。 2 2、外光电效应：、外光电效应： 当光照射某种物质时，若入射的光子能当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子互相作用，致量足够大，它和物质

43、中的电子互相作用，致使电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。使电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。外光电效应制成的器件有：光电管，光电倍外光电效应制成的器件有：光电管，光电倍增管等。增管等。一、光电导效应一、光电导效应 当半导体材料受照时，由于对光子得吸当半导体材料受照时，由于对光子得吸收引起载流子浓度得增大，因而导致材料电收引起载流子浓度得增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应。材料导率增大，这种现象称为光电导效应。材料对光得吸收有本征型和非本征型两种。对光得吸收有本征型和非本征型两种。本征型：本征型：光子能量大于材料禁带宽度时，把价光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中得电子

44、激发到导带，在价带中留下自由带中得电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率得增加，即本征空穴，从而引起材料电导率得增加，即本征型光电效应。型光电效应。非本征型：非本征型：若光子激发杂质半导体，使电子从若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材料得电导率，即非本征光电导效应。料得电导率，即非本征光电导效应。1 1、光电流、光电流 材料样品两端涂有电极，加载一定得弱材料样品两端涂有电极，加载一定得弱电场，在样品的垂直方向加上均匀的光照，电场，在

45、样品的垂直方向加上均匀的光照，入射功率为常数时，所得到的光电流为稳态入射功率为常数时，所得到的光电流为稳态光电流。光电流。 无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓度，因而样品具有一定的度，因而样品具有一定的暗电导率暗电导率。)(p0n00pnq 样品在有光照的条件下，吸收光子产生光生载样品在有光照的条件下，吸收光子产生光生载流子浓度用流子浓度用n n和和p p表示。光照稳定的条件下的表示。光照稳定的条件下的电导率为：电导率为：附加的电导率称之为附加的电导率称之为光电导率光电导率，能够产生光电导，能够产生光电导效应的材料称为光电导材料。效应的

46、材料称为光电导材料。)()()(pnp0n0pnqppnnq0为为：光光电电导导率率得得到到令：令：则：则： b b为迁移比。为迁移比。光电导灵敏度光电导灵敏度定义为单位入射光辐射功率所产定义为单位入射光辐射功率所产生的光电导率。生的光电导率。光电导灵敏度表达式光电导灵敏度表达式 Pnb)(pnbqP0R 可见，要制成光电导率高的器件，应该可见，要制成光电导率高的器件，应该使使n n0 0和和P P0 0有较小数值，因此光电导器件一般有较小数值，因此光电导器件一般是由高阻材料是由高阻材料(n(n0 0, P, P0 0较小较小) )或者在低温下使或者在低温下使用用(n(n0 0 ，p p0 0

47、较少较少) )0000) 1(pbnnbpenepeneRPnPn下面我们看一下光电流密度的求解：下面我们看一下光电流密度的求解：首先：首先：g g为载流子产生率，为载流子产生率， 为寿命。为寿命。若入射光功率为若入射光功率为s s，载流子产生率与光功率的关系：，载流子产生率与光功率的关系： gp)()(LWDhvpLWDLWDhvgss为为材材料料体体积积为为量量子子效效率率，r0sxprsxpx0 xTWDqNJhvNE1b1TLWDhvE1bqEJLVEx为光生载流子数。则为光生载流子数。则为两极之间的渡越时间为两极之间的渡越时间设设那么短路光电流那么短路光电流方向有均匀电场方向有均匀电

48、场若在若在,)()()(,/2 2、响应时间、响应时间（1 1）光电导驰豫过程）光电导驰豫过程 光电导材料从光照开始获得稳定的光电流光电导材料从光照开始获得稳定的光电流学要一定的时间，当光照停止后光电流逐渐学要一定的时间，当光照停止后光电流逐渐消失，这种现象称为光电导驰豫现象。消失，这种现象称为光电导驰豫现象。（2 2）上升响应时间）上升响应时间 光生载流子浓度上升到光生载流子浓度上升到稳态值的稳态值的6363所所需的时间为光电探测器上升响应时间。此时需的时间为光电探测器上升响应时间。此时光生载流子浓度：光生载流子浓度：)exp(t1pp0 （3 3）下降时间）下降时间 光照停止以后光生载流子

49、下降到稳光照停止以后光生载流子下降到稳定值的定值的3737时所需要的时间为下降时间。时所需要的时间为下降时间。此时光生载流子浓度的变化为：此时光生载流子浓度的变化为：)exp(tpp0 光电导材料在弱光照时，表现为线性光电导材料在弱光照时，表现为线性光电导，即光电导与入射光功率成正比。光电导，即光电导与入射光功率成正比。 而在强光照时表现为抛物线光电导，而在强光照时表现为抛物线光电导，即光电导与入射光功率的平方根成正比，即光电导与入射光功率的平方根成正比，定义其上升下降时间，相当于上升到稳定义其上升下降时间，相当于上升到稳态值的态值的7676，下降到稳态值的，下降到稳态值的5050。 影响光谱

50、响应有两个主要因素：光电导材料对影响光谱响应有两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的各波长辐射的吸收系数和表面复合率吸收系数和表面复合率。 响应有一峰值，而无论向长波或短波方向，响应响应有一峰值，而无论向长波或短波方向，响应都会降低。定性分析其原因：都会降低。定性分析其原因： 在材料不同深度在材料不同深度x x处获得的光功率为处获得的光功率为P P=P=P0 0(1- )(1- )。在较长波长上，材料吸收少，吸收系数很小，产生在较长波长上，材料吸收少，吸收系数很小，产生的电子浓度较少，复合率小的电子浓度较少，复合率小，一部分辐射会穿过，一部分辐射会穿过材料，因此灵敏度低。材料，因此灵敏度低。x

51、e 随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光电导率达到全被材料吸收，量子效率增加，因此光电导率达到峰值。一般峰值靠近长波限，实际定义长波限为峰峰值。一般峰值靠近长波限，实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。值一半处所对应的波长。 当波长进一步减小时，吸收系数进一步增加，光当波长进一步减小时，吸收系数进一步增加，光子能量增大，激发的光生载流子大部分靠近材料表子能量增大，激发的光生载流子大部分靠近材料表面附近，表面处的载流子复合率增加，光生载流子面附近，表面处的载流子复合率增加，光生载流子寿命减低，量子效率也随之下降。

52、灵敏度减小。寿命减低，量子效率也随之下降。灵敏度减小。 100 相对灵敏度(%) 二、二、p-np-n结光伏效应结光伏效应 光生伏特效应是指：当两种半导体材料光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属或金属/ /半导体相接触形成势垒，当外界光半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象近形成光生电压的现象. . 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。做势垒型光电探测器。 1 1、半导体、半导体pnpn结结 在在p p型半导体内部，空穴浓度高，费米能型半导体内部，空穴浓度

53、高，费米能级位置相对较低。级位置相对较低。 在在n n型半导体内部，电子浓度高，费米能型半导体内部，电子浓度高，费米能级位置相对较高。级位置相对较高。 平衡状态下费米能级平衡状态下费米能级EfEf处在同一高度上。处在同一高度上。结区的内建电场使结区的内建电场使p p区相对于区相对于n n区具有负电位，区具有负电位，使结区造成了能带弯曲，形成使结区造成了能带弯曲，形成p pn n结势垒，结势垒，阻挡多数载流子运动。阻挡多数载流子运动。 EC EV EFp EFn EC EV uD EF 电子能量 电压 漂移 扩散 空穴能量 漂移 E )exp(),exp()ln()ln()ln(kTqVppkT

54、qVnnnpnNaNdqkTVnnqkTVVqVqVnnkTEE0pn0np0pn0000pcncp数数载载流流子子之之间间的的关关系系：结结两两边边少少数数载载流流子子与与多多即即为为电电势势差差，于于是是为为势势垒垒高高度度，其其中中2i2 2、p pn n结的电流电压特性结的电流电压特性PnPn结的主要特性是整流效应，即单向导电结的主要特性是整流效应，即单向导电性。性。正向偏置：正向偏置：p p区接正，区接正，n n区接负。此时电流区接负。此时电流随电压的增大急剧上升随电压的增大急剧上升反向偏置：反向偏置：n n区接正，区接正，p p区接负。随着电压区接负。随着电压的增加，电流趋向饱和。

55、的增加，电流趋向饱和。（1）正向偏置 外加电场 u 图2-3 加正向电压情况 内建电场E uD E P N euD e(uD-u) +u u 扩散电流I1 漂移电流I0 pnpn结的正向电结的正向电流由流由p p边界的边界的电子扩散电流电子扩散电流和和n n边界的空边界的空穴扩散电流组穴扩散电流组成。成。)()exp()exp()exp()exp()()()exp()(exp(npppnn00nnnnnppppnn0pnpLDnLDqJ1kTqVJJ1kTqVpLqDJp1kTqVpLqDJnLx0pxpkTqVppkTVVqpp其中：其中：总的正向电流密度为：总的正向电流密度为：边界的电子扩

56、散电流为边界的电子扩散电流为：边界的空穴扩散电流为边界的空穴扩散电流为结边界的距离而衰减，结边界的距离而衰减，离开离开剩余载流子的浓度随着剩余载流子的浓度随着即：即：变为：变为：区内的少数载流子浓度区内的少数载流子浓度由于正偏使耗尽层附近由于正偏使耗尽层附近npn（2 2）反相偏置）反相偏置 施加电压的方施加电压的方向和内建电场的向和内建电场的方向相同，使势方向相同，使势垒的高度增加，垒的高度增加，空间电荷区加宽。空间电荷区加宽。漂移电流占主要漂移电流占主要地位。地位。 euD 外加电场 u 反向电压 内建电场 uD P N e(uD+u) u I1 I0漂移电流 EF EC 扩散电流I1 E

57、V EC 电流方向 3、pn结光伏效应结光伏效应 离离PNPN结较近的由光产生的少数载流子，结较近的由光产生的少数载流子，N N区中的空穴，区中的空穴，P P区中的电子，受到内建电场的区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向分离，电子移向N N区，空穴移向区，空穴移向P P区，区，PNPN结区结区的光生电子的光生电子- -空穴对被空穴对被PNPN结势垒区较强的内建结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向电场分离，空穴被移向P P区，电子被移向区，电子被移向N N区，区，结果在结果在N N区将积累电子，区将积累电子，P P区将积累空穴，产区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，生了一

58、个与内建电场方向相反的光生电场，于是在于是在P P区和区和N N区之间造成光生电势差；区之间造成光生电势差； 如果光照保持不变，积累过程达到动如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。积累光强越强，光生电动势也就越大。积累的光生载流子部分地补偿了平衡的光生载流子部分地补偿了平衡PNPN结的结的空间电荷，引起了空间电荷，引起了PNPN结势垒高度结势垒高度降低。降低。电子空穴的移动使电子空穴的移动使p p区的电势高于区的电势高于n n区的电区的

59、电势，相当于势，相当于pnpn结上加了正向偏置。结上加了正向偏置。 光生电场 E 电压 u 光生电流 IP 正向电压 内建电场 E uD 外回路电流 I 结电流Ij P N euD e(uD-u) +u u I1 I0 PNPN结中有三种电流：扩散电流、漂移电流、结中有三种电流：扩散电流、漂移电流、光生电流。光生电流与漂移电流方向相光生电流。光生电流与漂移电流方向相同，而扩散电流方向相反。把扩散电流同，而扩散电流方向相反。把扩散电流和漂移电流定义为结电流和漂移电流定义为结电流IjIj。 结电流结电流= =扩散电流漂移电流。扩散电流漂移电流。外电路的电流：外电路的电流：若外电路短路，外电压为若外

60、电路短路，外电压为0 0，则短路电流，则短路电流IscIsc：当开路时，外电路电流为当开路时，外电路电流为0 0，开路电压，开路电压VocVocpkTqvSDIeII) 1(/RIIpsc)ln(1IIqkTV0poc三、光电子发射效应三、光电子发射效应1 1、光电发射定律、光电发射定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成份：当入射光的频率或频谱成份不变时，饱和光电流不变时，饱和光电流( (即单位时间内发射的光即单位时间内发射的光电子数目电子数目) )与入射光的辐射通量成正比与入射光的辐射通量成正比hcPehPeIe e电子电量；电子电量； 光电激发出电子的量子效率；光电激发出