光电导效应光生伏特效应

1、第二章 光电检测技术基础 应用物理系光电导效应光生伏特效应第1页第二章 光电检测技术基础 教学内容： 2.1 光基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第2页1、在远离家时怎样防盗并报警？2、在太空中靠什么拍摄出清楚图片？3、在大型石化工厂中怎样发觉险情并及时处理？思 考光电导效应光生伏特效应第3页2.4 光电效应光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测器件光辐射量光电探测器电量、热量等光电效应光电效应：光照射到物体表面上使物体电学特征发生改变。物理基础光电导效应光生伏特效应第4页光子效应光热效应外光电效应内光电效应光电发射效应光电倍增效

2、应光电导效应光伏效应光电磁效应丹培效应温差电效益热释电效应光电效应类型：2.4 光电效应光电效应光电导效应光生伏特效应第5页光电探测器件热电探测元件光子探测元件外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第6页一、光子效应和光热效应2.4 光电效应光子效应(photonic effect ) 指单个光子性质对产生光电子起直接作用一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引发原子或分子内部

3、电子状态改变。光子能量大小直接影响内部电子状态改变。特点对光波频率表现出选择性光子探测器响应速度普通比较快 利用光子效应进行探测器件称为光子探测器光电导效应光生伏特效应第7页光热效应(photothermal effect ) 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引发内部电子状态改变，而是把吸收光能变为晶格热运动能量，引发探测元件温度上升，温度上升结果又使探测元件电学性质或其它物理性质发生改变。特点标准上对光波频率没有选择性响应速度普通比较慢。 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射探测。比如：家庭式热释电红外探测器2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第8页光

4、子器件热电器件响应波长有选择性，普通有截止波长，超出该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外各种波长辐射一样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要时间短， 普通为纳秒到几百微秒响应慢，普通为几毫秒光电器件特点：2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第9页外光电效应：物质受到光照后向外发射电子现象，其多发生于金属&金属氧化物光电发射效应、光电倍增效应内光电效应：物质受到光照后所产生光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部现象，其多发生于半导体内。光电导效应、光生伏特效应、光电磁等二、光子效应类型2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第10页光电发射效应19德国物理学家爱因斯坦用光量子学说

5、解释了光电发射效应，取得19诺贝尔物理学奖。 2.4 光电效应三、光电发射效应光电导效应光生伏特效应第11页三、光电发射效应：光电发射体功函数 电子离开发射体表面时动能 在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）现象。光电发射体 能产生光电发射效应物体，在光电管中又称为光电阴极。爱因斯坦方程 2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第12页截止（红限）频率截止（红限）波长2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第13页光电发射器件特点： 1. 光电发射器件中导电电子能够在真空中运动，所以，能够经过电场加速电子运动动能，或经过电子内倍增系统提升光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱光信号，

6、成为像增强器与变相器技术基本元件。 2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第14页2. 很轻易制造出均匀大面积光电发射器件，这在光电成像器件方面非常有利。普通真空光电成像器件空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。 3. 光电发射器件需要高稳定高压直流电源设备，使得整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适合用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件光谱响应范围普通不如半导体光电器件宽。2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第15页四、光电导效应光电导现象半导体材料“体”效应1、定义： 半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小现象。2.4 光电效应导体材料:电阻

7、率，电导率普通为常数；半导体材料：电阻率，电导率普通不再是常数。光电导效应光生伏特效应第16页2.4 光电效应经典光电导器件：光敏电阻光电导器件可用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗、光电计数器、光电控制照明、自动安全保护等，用于夜间或淡雾中探测红外线目标，红外通信、导弹制导等。光电导效应光生伏特效应第17页本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时，易于发生杂质光电导。 是禁带宽度是杂质能带宽度2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第18页本征半导体样品AL2、光电系统基本模型 (1)无光照时，半导体材料在常温下含有一定热激发载流子浓度，

8、材料处于暗态，含有暗电导2.4 光电效应U光电导效应光生伏特效应第19页A本征半导体样品SL光2.4 光电效应 (2)有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，材料处于亮态，含有亮电导U光电导效应光生伏特效应第20页3、光电导与辐射通量关系A本征半导体样品L光dbe 设通量为e单色辐射入射到半导体上，其波长满足发生光电效应条件，且被完全吸收，则光敏层单位时间所吸收光子数密度： 光子被吸收后，将在半导体中激发产生光生载流子，但并不一定是一对一 产生关系，除此之外，因为热激发也会产生热生载流子，同时，这些电子空穴对还会有随时复合可能性2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第21页考虑综合原因，列出

9、载流子各种改变A本征半导体样品L光db光生电子率：热生电子率：为半导体材料量子效率热电子复合率：kf为复合几率，ni、pi为热激发所产生电子浓度、空穴浓度热平衡状态下：光敏层中总电子产生率：电子与空穴总复合率：2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第22页A本征半导体样品L光db电子与空穴总复合率：n、 p为光生电子浓度、光生空穴浓度平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是相等即非平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是不相等因光生电子与空穴是成对出现，所以浓度改变我们只考查电子浓度即可，设载流子浓度时间改变率为2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第23页本证半导体非热平衡时，因光生电子与空穴是

10、成对出现，所以浓度改变我们只考查电子浓度即可，设载流子浓度时间改变率为：2.4 光电效应因光电导效应光生伏特效应第24页2.4 光电效应非热平衡时讨论：弱辐射作用下： nni、 p pi，且本征吸收时n= p可忽略由初始条件：t=0，n=0，求解上式可得为载流子平均寿命光电导效应光生伏特效应第25页2.4 光电效应弱辐射作用下： 若时间t，则exp(-t/)0，n n0 =Ne，为一定值整个半导体载流子浓度到达一个动态平衡由半导体电导率：知光致电导率改变量：则光电导为：载流子迁移速率光电导效应光生伏特效应第26页A本征半导体样品L光db2.4 光电效应光致电导率改变量：光电导为：弱辐射作用下：

11、 光电导效应光生伏特效应第27页结论：弱辐射作用下半导体光电导与入射辐射通量成线性关系，与两电极间距离L2成反比2.4 光电效应定义：光电导灵敏度（光电导对入射辐射通量敏感程度）结论2：弱辐射作用下Sg还与两电极间距离L2成反比结论1：弱辐射作用下Sg与材料性质相关在设计光敏电阻时要充分考虑材料及结构要求！光电导效应光生伏特效应第28页2.4 光电效应b. 强辐射作用下： nni、 p pi， n = p t=0，n=0光电导效应光生伏特效应第29页2.4 光电效应b. 强辐射作用下： 结论：强辐射作用下，半导体材料光电导灵敏度不但与材料性质相关，与入射e也相关，而且是非线性关系在光敏电阻使用

12、中会出现显著前例效应光电导效应光生伏特效应第30页4、光电导增益光电导增益M是光电导器件一个主要特征参数,它表示长度为L光电半导体两端加上电压以后,由光照产生光生载流子在电场作用下所形成外部光电流与光电子形成内部电流(eN)之间比值。定义式：2.4 光电效应式中，i为光生载流子所形成外部光电流N为光辐射每秒激发电子空穴对数目光电导效应光生伏特效应第31页2.4 光电效应A本征半导体样品L光db由图可知，光照射到半导体上产生光电流在光辐射下，n=n0+n ， p=p0+p， = 0+ 弱辐射时，n n0 =Ne， Ne为单位时间内产生电子空穴对数密度，假设单位时间内总共产生N对电子空穴对，则光电

13、导效应光生伏特效应第32页2.4 光电效应对光电导器件如采取N型半导体，电子为多子，空穴可忽略光电导效应光生伏特效应第33页同理2.4 光电效应A本征半导体样品L光dbMn称为光敏电阻中电子增益系数。tn=L/n为电子漂移时间。载流子迁移速率为漂移速度与电场强度之比。光电导效应光生伏特效应第34页假如把1/tn和1/tp之和定义为1/tdr.,即式中,tdr称为载流子经过极间距离L所需要有效渡越时间,于是在半导体中,电子和空穴寿命是相同,都可用载流子平均寿命来表示,即=n=p，则本征型光敏电阻增益可写成2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第35页光敏电阻4、光电导增益显然，增益M与渡越时间t

14、dr成反比。而渡越时间与两电极间距离L成正比，故为增大M，需减小L。但要提升光电导器件灵敏度又需较大光敏面，所以两种之间存在一定矛盾。常见结构：蛇形光敏面2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第36页光伏现象半导体材料“结”效应 比如：光照PN结1、定义：它是把光能转化为电能一个效应，是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差现象。2.4 光电效应五、光伏效应光电导效应光生伏特效应第37页2.4 光电效应开路电压Uoc：光照零偏状态PN结产生电压，假如外电路为开路，此时PN结两端电压即为开路电压Uoc；主要参数：短路光电流Is ：光照零偏状态PN结产生电压，假如外电

15、路短路，此时经过PN结电流即为短路光电流Is；光电导效应光生伏特效应第38页光伏效应中，与光摄影联络是少数载流子行为，因少数载流子寿命短，所以光伏效应为基础器件比以光电导效应为基础器件有更加快响应速度。2.4 光电效应暗电流光电流总电流注意：光电流与暗电流方向相反光电导效应光生伏特效应第39页光照零偏pn结产生开路电压效应光伏效应光电池2.4 光电效应输出电流与外电路负载阻值相关，且光电流方向在电池外部是从P流向N，电池内部是从N流向P光电导效应光生伏特效应第40页2.4 光电效应测量元件电源光电导效应光生伏特效应第41页光照反偏光电信号是光电流 结型光电探测器工作原理光电二极管 2.4 光电

16、效应输出电流主要取决于光照条件所形成光电流。光电导效应光生伏特效应第42页光磁电效应是指在垂直于光束照方向施加外磁场时半导体两侧面间产生电位差现象。2.4 光电效应光磁电效应六、光电磁效应光磁电效应机制是光照射到半导体表面后生成非平衡载流子浓度梯度，使载流子产生定向扩散速度，磁场作用在载流子上洛仑兹力使正负载流子分离，形成端面电荷累积电位差和横向电场。看成用在载流子上洛仑兹力与横向电场电场力平衡时，两端面电位差保持不变。光电导效应光生伏特效应第43页相同不过不一样，表达在三个方面：1）光磁电效应中在磁场作用下移动是电子空穴对，而霍尔效应中移动是自由电子。2）针对材料不一样，一个是半导体材料，一

17、个是导体材料。3）使用情形也不一样，一个需要光照，一个不需要。利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。2.4 光电效应光磁电效应和霍尔效应异同光电导效应光生伏特效应第44页当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分大，出现了载流子浓度梯度，引发载流子扩散，假如电子比空穴扩散得快，造成光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应（丹培效应）。2.4 光电效应七、丹培效应半导体迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压光电导效应光生伏特效应第45页八、温差电效应光热效应 当两种不一

18、样配偶材料（能够是金属或半导体）两端并联熔接时，假如两个接头温度不一样，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。 提升测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用热电堆 2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第46页2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第47页2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第48页2.4 光电效应九、热释电效应光热效应光电导效应光生伏特效应第49页九、热释电效应光热效应热释电材料电介质，如硫酸三甘肽、锆钛酸铅镧等一个结晶对称性很差压电晶体在常态下含有自发电极化(即固有电偶极矩)热电体| |决定了面电荷密度 大小，当发生改变时，面电荷密度也跟着改变| |值是温度函数温度升高 | |减小。 2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第50页 升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度 热释电体表面附近自由电荷对面电荷中和作用比较迟缓，普通在11000秒量级热释电探测器是一个交流或瞬时响应器件。2.4 光电效应光电导效应光生伏特效应第51页2.4 光电效应人体皮肤温度在37时，大约有32%辐射能量在812微米波段范围，仅有1%辐射能量在3.2微米波段内。人体辐射探测常是安全和军事信息主要任务，在医学诊疗上也有主要价值。光电导效应光生伏