光电材料与器件：第四章 光电导材料及器件

1、第四章光电导材料及器件数码相机为什么能实现自动曝光？一、光电导型探测器简介光控开关光敏电阻结构示意图 光电导材料硫化物、氧化物、卤化物 常用材料CdS、CdSe、PbS、InSb、TeCdHgCdS的应用最多PbS、TeCdHg主要用于军事利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器，简称PC（Photoconductive）探测器又称为光敏电阻 光谱响应：紫外远红外 工作电流大，可达数毫安 可测强光，可测弱光 灵敏度高，光电导增益大于1 无极性光电导探测器的特点光电导探测器的定义及特点第一节：本征光电导和杂质光电导 1、光电导产生的原因暗（无光照时）电导率半导体的电导率光照时的电导率光照时

2、的非平衡载流子注入产生的附加电导率称为光电导率暗电流（越小越好）1、光电导产生的原因（续）光激发载流子浓度增加电导率增加光电导效应只发生在半导体材料中，金属没有光电导效应。 2. 光电导效应的分类按基本激发过程分类本征光电导探测器杂质光电导探测器光子能量大于半导体的禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其电导率入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率1.极低温度下工作；2. 常用N型 为红限波长1、杂质吸收和光电导的长波限比本征吸收和光电导长波限要大得多 杂质光电导与本征光电导比较2、杂质吸收和杂质光电导比本征吸收和本征光电导弱得多 3、杂质光电导必须低温下工作以避免杂质中心的热电离并

3、使暗电导保持低值 4、本征光电导光的吸收深度可以浅得多，光电导的出现仅限于接近表面的薄层杂质光电导吸收深度大，必须把光电导样品做得比较厚5、本征光电导同时产生等量的自由电子和自由空穴，两者都对光电导作出贡献；杂质光电导来说，只激发一种自由载流子(电子或空穴) 6、杂质光电导和本征光电导对光强的依从关系不同杂质浓度通常比主晶格原子浓度要小好几个数量级 第二节 光电导理论分析 设样品均匀地受到总功率：E样品受照表面的反射系数：R量子效率：1样品的厚度足够大，透过入射面的光全被吸收，吸收的光子数：样品中每秒钟内产生的总电子-空穴对数目 稳态非平衡载流子数 稳态光电导 暗电导 稳态光电流 U：施加电压

4、迁移率应该大平均寿命长量子效率大反射低长度应短第三节 光电导灵敏度 1) 比灵敏度稳态光电导和电极之间距离平方的乘积除以入射的光功率 载流子寿命越高，比灵敏度就越高 量子效率越高，比灵敏度就越高 光电导增益 比灵敏度相对光电导 响应度 2) 光电导增益 G 一秒钟内每一个吸收的光子在两个电极之间所通过的载流子数目 载流子迁移率和寿命越长，光电导增益就越大样品长度缩短也可以使光电导增益增大 渡越时间吸收一个光子产生的载流子可以在电极之间多次通过，对光电导作出贡献 比灵敏度和光电导增益之间的关系高灵敏度材料制成的器件光电导增益也高 如何提高光电导增益G？选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；减少电

5、极间距离；适当加大偏压参数选择合适时，M值可达102量级3) 相对光电导 稳态光电导与暗电导之比 需规定测量时所用的光强度用高阻材料制成光敏电阻器或在低温下使用第四节：光电导与光强度的关系 1）杂质光电导情况稳态：暗态：A）暗态1）杂质光电导情况B）光照情况下（光照较弱时）：光生非平衡载流子浓度 激发光强度不大时，光电响应应为线性的 C）光照情况下（光照较强时）稳态载流子浓度方程稳态载流子浓度光照较强时，光电响应表现为亚线性总结：在光强度低时得到线性响应杂质光电导的光电响应线性度在光强度高时得到较低的亚线性响应第四节：光电导与光强度的关系（续） 2）本征光电导情况A）只存在非平衡载流子直接复合

6、的本征光电导体 载流子浓度方程（1）暗态、稳态载流子浓度（2）激发光不太强时弱激发稳态非平衡载流子浓度小信号非平衡载流子寿命 B）通过复合中心进行间接复合 C）少数载流子被陷获 （3）激发光很强时即自发产生率可以略去不计 稳态方程式 可以认为本征光电导体 与光强度成正比 稳态载流子浓度 总结：在光强度低时得到线性响应直接复合本征光电导的光电响应线性度在光强度高时得到较低的亚线性响应B）通过复合中心进行间接复合的情况 （4.45）（4.46）激发光强度低时：线性4) 本征光电导探测器的响应度 (1) 光生载流子的连续性方程本征半导体有： 4)本征光电导器件的性能分析(1) 光生载流子的连续性方程

7、本征半导体有： 本征光电导光生载流子变化的基本方程 （2）本征光电导探测器的响应度稳态情况下分两种情况讨论不考虑载流子浓度梯度及表面复合考虑载流子浓度梯度及表面复合 本征光电导稳态方程4) 光电导探测器的响应度 (a) 不考虑载流子浓度梯度及表面复合不考虑载流子的浓度梯度探测器内各处载流子浓度是均匀的，即体激发率也是均匀的其解为光生载流子浓度与体平均激发率成正比，与载流子寿命成正比光电导探测器的几何模型光电导探测器光生载流子的电流密度为对于本征光电导有：其中：故光生电流为若无信号时的电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压为探测器的响应度为又：故：反射率对于本征光电导，其暗电阻率为故：p0:无信号照射

8、时空穴的浓度P0由两部分构成：热激发和背景辐射产生的光生载流子下标t：热激发下标b：背景辐射从而：讨论响应度与光生载流子寿命成正比响应度与无信号时的载流子浓度成反比响应度与外加电场成正比考虑到焦耳热，外加电场应有一个最佳值在满足d1的条件下，减少探测器厚度也对提高响应度有利减少反射，镀增透膜也对提高响应度有利响应度与光电转换量子效率成正比(b) 考虑载流子浓度梯度及表面复合体内的稳态方程L：载流子扩散长度边界条件：微分方程的解为：响应度为：要提高器件的响应度应尽量降低表面复合速度SV并尽可能减少d提高载流子寿命降低无信号时的载流子浓度低温、滤除杂散光适当提高外加电场适当减少探测器厚度镀增透膜提

9、高光电转换量子效率归纳：提高光电导探测器响应度的措施表面钝化处理、光电导层与衬底之间过渡层5） 本征光电导的时间响应光电导的响应与光生载流子n（ p）成正比 1）上升情况 时光电导探测器的弛豫现象(或滞后现象)愈大，曲线上升愈慢2）下降情况 时愈大，曲线下降愈慢光电导灵敏度响应速度5） 本征光电导的频率响应输入交变光信号输出交变电压信号6）杂质光电导探测器的响应度入射红外辐射的光子能量比器件材料禁带宽度小时只能激发杂质能级中的电子或空穴，使其电导率发生变化利用杂质光电导制成的器件必须处于低温工作状态，以保证杂质能级上的电子或空穴基本上未电离，即处于束缚状态，从而有较高的暗电阻。杂质光电导材料的

10、吸收系数仅在10-11 cm-1在杂质光电导区，红外辐射要透入探测器很“深”的距离。当探测器厚度不太厚时，一部分红外辐射要透过红外探测器杂质光电导探测器的响应度以n型半导体为例通常将展开，并略去高次项当探测器的工作温度尚未达到足够低时影响响应率的因素讨论热产生电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0b结论：可降低工作温度使n0t和n1减小，以提高响应度当温度下降到使 及 成立时温度降低到一定程度后，再降低温度，响应度也不会再提高了在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于背景辐射产生的电子浓度，可以通过减小受主浓度来提高响应度d1的条件下，响应度与厚度无关。通常大多是想办法通过多次全反射延长

11、光信号在探测器中的路程以增强器件对信号的吸收7）光谱特性可见光区灵敏的几种光敏电阻 在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶红外区灵敏的几种光敏电阻第六节 光电导材料应满足长波响应的要求 1）对材料的要求：热激发(暗发射)所形成的产生-复合噪声低，即暗电流应尽可能小 热噪声电流应远小于背景辐射光子噪声电流。 高的线性吸收系数和量子效率。2）常用的光电导材料第七节 典型的光电导器件1）光敏电阻梳状式 涂膜式 刻线式 1）光敏电阻（续）按照光谱特性及最佳工作波长范围，分为三类：对紫外光灵敏的光敏电阻硫化镉和硒化镉等对可见光灵敏的光敏电阻硒化镉、硫化镉和硫化铊等对红外光灵敏的光敏电阻