ch光电检测技术基础

ch光电检测技术基础现在是1页\一共有73页\编辑于星期日1人类通过自身的感觉器官从外界获取信息现在是2页\一共有73页\编辑于星期日2再次认识人眼高灵敏度：光的辐射通量2*10-17—2*10-5W高分辨力P2对不同波长光灵敏度不同：存在明暗视见函数0.1s的视觉暂留时间和50ms的动态响应时间现在是3页\一共有73页\编辑于星期日3材料的检测与控制技术4/60现在是4页\一共有73页\编辑于星期日4五官与传感器人的五官感觉器官对象传感器原理视觉眼光光传感器视觉传感器光电效应（光电）听觉耳声波压力传感器听觉传感器压电效应（声波电）触觉皮肤压力温度压力传感器温度传感器压电效应（声波电）塞贝克效应（温度电）嗅觉鼻气体气味物质气体传感器气味传感器吸附效应（气电）吸附效应（质量变化频率变化，气电）味觉舌味觉物质味觉传感器电化学效应（相互作用电）现在是5页\一共有73页\编辑于星期日5狭义：“光电子材料”替代“人眼”信息检测技术光学检测技术电子检测技术易与物质发生联系，传播速度快,频带宽，信息容量大易存储，可转移，好控制光电检测技术被测对像光学系统光电转换被测对象的信息加载光源信息载体光电探测器信息处理光电检测系统现在是6页\一共有73页\编辑于星期日6

定向反射式光电传感器

E3X-ZA光电传感器

光电式烟雾传感器

光电式转速传感器

亮度传感器

反射式光电传感器

圆柱形光电传感器

反射型光电传感器

微型光电传感器各种光电传感器：现在是7页\一共有73页\编辑于星期日7第一章

光电检测技术基础1.1辐射度量和光度量1.2半导体物理基础1.3光电效应现在是8页\一共有73页\编辑于星期日81.1辐射度量和光度量

一、光的基本性质光的微粒流学说牛顿，17世纪:反射、折射光的波动学说:电磁波惠更斯，杨氏，麦克斯韦（1860）：干涉、衍射、偏振光的波粒二象性电磁波(光传播时)：干涉、衍射、偏振、反射、折射光子流(与物质作用)：发射、吸收、色散、散射现在是9页\一共有73页\编辑于星期日9可见光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫现在是10页\一共有73页\编辑于星期日10光的基本特性光谱范围：1pm~1mm，波长短可见光波长：380nm~780nm真空中光速:光在媒质中传播速度:v=λν/n光子能量：E=hν光子动量：p=hν/c=h/λ

普朗克常数:一、光的基本性质1.1辐射度量和光度量 现在是11页\一共有73页\编辑于星期日11二、光辐射度量1.1辐射度量和光度量 名称符号定义单位辐射能Qe

以辐射形式发射、传播或接收的能量。焦耳(J)辐射能密度we光源在单位体积内的辐射能。We=dQe/dV.焦耳/米3(J/m3)辐射通量Φe

单位时间内通过某一定面积的辐射能。Φe=dQe/dt．瓦特(W)辐射出射度Μe

辐射体在单位面积上辐射的通量或功率。Μe=dΦe/dA瓦/平方米(W·m-2)辐射强度

Ιe

在单位时间、单位立体角内点光源所辐射出的能量。Ιe=dΦe/dω瓦/球面度(W·sr-1)辐射亮度Le

由辐射表面定向发射的辐射强度。Le=dΙe/(dA·cosθ)瓦/球面度平方米(W·sr-１·m-2)辐射照度Εe

单位面积内所接收到的辐射通量。Εe＝dΦe/dA瓦/平方米(W·m-2)现在是12页\一共有73页\编辑于星期日12名称符号定义式单位单位符号光谱辐射通量Φλ

dΦe/dλ瓦/微米W/μm光谱辐射通量ΦνdΦe/dν.瓦/赫Ｗ/Hz光谱辐射出射度Ｍλ

dMe/dλ瓦/米2．微米W/m2.μm光谱辐照度Ｅ

λ

dＥe/dλ瓦/米2．微米W/m2.μm光谱辐射强度

ＩλdＩe/dλ瓦/球面度．微米W/sr.μm光谱辐射亮度dLλ

dＬe/dλ瓦/米2.球面度．微米W/m2.sr·μm三、光谱辐射度量：光谱分布1.1辐射度量和光度量 现在是13页\一共有73页\编辑于星期日13四、光度量：可见光根据人眼的视觉强度来定义能量相同而波长不同的光引起人眼的视觉强度不同光谱光视效率（视见函数）V(λ)国际照明委员会CIE定义明视觉时：555nm处最大，V（λ）=1明视觉：白天正常光照暗视觉：夜间弱光照射现在是14页\一共有73页\编辑于星期日14名称符号定义单位光通量

Φ

光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。流明(lm)

发光强度

Ι

光源在给定方向上单位立体角内的所发出的光通量，I=dΦ/dω，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为540×1012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度Ιe=1/683W·sr-1时，规定为1cd。坎德拉(cd)

光出射度

Μ

光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量。M=dΦ/dA流明/平方米(lm·m-2)光照度Ε被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量。E=dΦ/dA勒克斯(lx)光亮度

L

由光源表面定向发射的发光强度。L=dΦ/（dA·cosθ)坎德拉/平方米(cd·m-2)光量H光通量对时间的积分。流明秒(lx·s)1.1辐射度量和光度量 现在是15页\一共有73页\编辑于星期日151.辐射度学对各种电磁辐射进行定量评价工具：光接收器件结果：与光能量相关的各种物理量评价对象：电磁辐射2.光度学工具：人眼对象：可见光辐射对可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉进行定量评价，是一种生理效应结果：对人眼刺激大小的各种物理量用下标(e)无（e）下标或用下标(v)辐射度学和光度学物理量的定义比较现在是16页\一共有73页\编辑于星期日161.辐射功率（辐射通量）对于辐射源说----单位时间内向空间各个方向发射的总能量。单位：W（瓦特）对于电磁波的传播----单位时间通过某一截面的电磁波能量对于电磁波的接收----单位时间内某一截面接收到的电磁能发射A1A2传播A接收如果是多波长辐射，则有：光谱功率谱密度辐射度学基本物理量现在是17页\一共有73页\编辑于星期日17点光源:在某一方向上，在单位立体角内发出的辐射通量（描述辐射体在不同方向上的辐射特性）。2、辐射强度单位：向空间各个方向辐射均匀的点光源：如果辐射是多波长的电磁波则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐射强度，可表示为：dΩθ现在是18页\一共有73页\编辑于星期日183、辐射亮度单位：----表征发光面发光强弱并与发光面特性有关的物理量。面元dS在θ方向的光亮度定义为：此面元在θ方向dΩ体积角内的的辐射通量dΦe除立体角的大小dΩ和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。如果是多波长辐射则：如果辐射不均匀，则θ方向上的辐亮度，可表示为：N现在是19页\一共有73页\编辑于星期日194、辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。用来描述辐射体表面不同位置的辐射特性。dA1dA2单位：W/m2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。5、辐照度单位：W/m2dA1dA2同样有：同样有：现在是20页\一共有73页\编辑于星期日20光度学基本物理量（一）光度学量和辐射度学量的关系1.光谱灵敏度Kλ

及视见函数Vλ相同波长（λ）不同产生对人眼不同的刺激程度人眼对光的感受是光波长的函数单位时间内发射、传播或接收的光谱光量(人眼)单位时间内发射、传播或接收的光量(人眼)K

λ

光谱灵敏度(lm/W)(1)光谱灵敏度光通量(lm流明)现在是21页\一共有73页\编辑于星期日21定义:视见函数明视0.55μmλ

10.380.7明视暗视0.55μm0.507μmλ

Km=683（lm/W）0.380.7不同波长的光谱灵敏度，如图所示（P24）C(2)视见函数现在是22页\一共有73页\编辑于星期日22现在是23页\一共有73页\编辑于星期日23（二）光度学量A1A2A1A2辐射通量单位时间内发射、传播或接收的辐射能量。复色光时----单位时间内发射、传播或接收的光量。复色光时1、光通量A

lm(流明）W（瓦特）现在是24页\一共有73页\编辑于星期日24----点光源在某一方向上，单位立体角内发出的辐射通量。----点光源在某一方向上，单位立体角内的光通量。2、发光强度单位：辐射强度单位：（cd坎德拉）dΩ现在是25页\一共有73页\编辑于星期日25----面元dS在θ方向dΩ体积角内的的光通量dΦv除立体角的大小dΩ和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。3、光亮度单位：辐射亮度----面元dS在θ方向dΩ体积角内的的辐通量dΦe除立体角的大小dΩ和此面元在观测方向上的表观面积cosθ(dS)。N22现在是26页\一共有73页\编辑于星期日264、光出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的光量（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的光通量。dA1dA2单位：lm/m2辐射出射度----光源单位时间由单位表面积辐射出的电磁能（包括所有方向），或者说单位辐射面发出的辐通量。单位：W/m2现在是27页\一共有73页\编辑于星期日27----受照面上单位时间单位表面积接受的光量，或单位表面积接受的光通量。5、（光）照度单位：lm/m2dA1dA2----受照面上单位时间单位表面积接受的辐射能，或单位表面积接受的辐通量。辐照度单位：W/m2(lx勒克斯）现在是28页\一共有73页\编辑于星期日28其它基本概念1.点源dA⊥θdA某面元上的照度与面元到光源的距离的平方成反比---平方反比定律同时也与面源的方向有关Ir对于沿各方向匀均辐射的点源点源对面的（光）照度-----（与强度的关系）光源S总光通量为：现在是29页\一共有73页\编辑于星期日292.扩展源---有一定面积的辐射源朗伯源或称为余弦辐射体向空间各个方向的辐射亮度相同，理想化的扩展源发光强度I

与方向角θ满足余弦定律的发光体。大部分发光体都有此性质△SθII0余弦定律常数现在是30页\一共有73页\编辑于星期日30根据辐射出射度的定义根据亮度的定义dSdA可证：现在是31页\一共有73页\编辑于星期日313.漫反射面----把入射光向各个方向均匀的散射的各种表面设某一漫反射面dS所受的光照度为E，则此面接收到的光通量为：设此反射面的反射系数为K，则它反射的光通量为：朗伯辐射体不透明漫反射体透明漫反射体亮度减半现在是32页\一共有73页\编辑于星期日324.定向辐射体--光线的发射方向比较集中如：激光器太阳的辐射亮度只有3*108W/(sr.m2)现在是33页\一共有73页\编辑于星期日331.2半导体物理基础电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。一、半导体的特性半导体特性电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生显著的变化。常见半导体材料有：元素半导体：硅、锗、硒化合物半导体：GaAs、铝砷化镓、InSb,CdS,PbS氧化亚铜的氧化物：砷化镓－磷化镓固熔半导体有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体半导体器件:利用半导体的特殊电学特性制成的器件现在是34页\一共有73页\编辑于星期日34二、能带理论1.2半导体物理基础

１．原子中电子的能级原子由带正电的原子核与一些带负电的电子组成电子绕核运动，具有完全确定的能量能级：电子运动的每一量子态所具有的确定能量称为能级。原子中的电子没有完全确定的轨道泡利不相容原理：在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子

现在是35页\一共有73页\编辑于星期日35２．晶体中电子的能带晶体：原子（粒子）以一定的周期重复排列所构成的物体晶体中电子的共有化：原子之间距离很近，致使离原子核较远的电子轨道发生交叠，使电子不再属于某个原子，有可能转移到相邻原子及更远的原子壳层上去，成为整个晶体所共有电子只能在能量相同的量子态之间转移N个原子排列成晶体时，原来分属于N个原子的相同能级必须对应分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级能带：与此相对应的能量密集的能级称为能带。

现在是36页\一共有73页\编辑于星期日36二、能带理论1.2半导体物理基础 能级3s2p允带禁带允带允带禁带现在是37页\一共有73页\编辑于星期日37原子的能限和结晶格中的能带之比较图1.1.1-3导体内的能带半导体内的能带外加电场时，非满带形成电流；而严格满带不产生电流。半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满。现在是38页\一共有73页\编辑于星期日38二、能带理论物质的导电性：价带导带禁带价带中的空穴导带中的电子3.半导体的导电机制电流：电场作用电子的定向运动导电条件:1)向电子提供能量;2)电子要跃入的能级是空的价带中的电子离开所留空位称为空穴电子和空穴统称为载流子外加电场时，非满带载流子在无规则热运动中迭加了定向运动，形成电流；而满带不产生电流。导带中电子越多，导电能力越强；价带中空穴越多，导电能力越强为什么半导体在有限温度时，理论的严格满带会变得不满，导带的电子及价带的空穴如何产生：分两种情况讨论（本征半导体和杂质半导体）。现在是39页\一共有73页\编辑于星期日393.半导体的导电机制本征半导体完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体本征激发：电子由价带直接激发跃迁到导带本征半导体的载流子只能依靠本征激发产生导带电子和价带空穴相等二、能带理论1.2半导体物理基础 价带导带禁带低温下价带导带禁带本征激发（热或者光等外界因素）常温下不导电弱导电性现在是40页\一共有73页\编辑于星期日403.半导体的导电机构杂质半导体：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（晶体的缺陷也有类似效果）。杂质能级和晶体中其它能级不同，可处于晶体能带间的禁带中（对导电性影响巨大）N型半导体：主要由电子导电（此时电子又称为多子）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，电子为多数载流子通常，施主能级离导带底较近，导带中电子多于价带中空穴P型半导体：主要由空穴导电（此时空穴被称为多子）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，空穴为少数载流子受主能级离价带顶较近，价带中空穴多于导带中电子1.2半导体物理基础 现在是41页\一共有73页\编辑于星期日41价带导带禁带施主能级本征激发+杂质激发价带导带禁带杂质能级低温下常温下处于共价键之外N型半导体现在是42页\一共有73页\编辑于星期日42价带导带杂质能级P型半导体B低温下受主能级价带导带杂质激发+本征激发现在是43页\一共有73页\编辑于星期日43三、热平衡载流子在一定温度下，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。载流子的激发和复合（电子找到空穴相互抵消）两种过程处于热平衡状态，载流子浓度为某一稳定值。1.2半导体物理基础 本征半导体中的载流子价带导带禁带本征激发开始时：激发>复合复合一段时间后：激发=复合（载流子浓度增大）（载流子浓度稳定）热平衡状态设由低温到高温的过程现在是44页\一共有73页\编辑于星期日44三、热平衡载流子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，能量为E的能态被电子占据的概率f(E)由费米-狄拉克函数给出，即导带电子浓度n和价带空穴浓度pf(E)：费米分布函数，能量E的概率函数k：波耳兹曼常数，1.38×10-23J/KT：绝对温度EF：费米能级（一般认为：低于费米能级处满带）1.2半导体物理基础 N_：导带的有效能级密度N+：价带的有效能级密度E_：导带底E+：价带顶

现在是45页\一共有73页\编辑于星期日45本征半导体中，电子和空穴浓度相等，即n=p,本征载流子浓度为一恒定值

式中Eg=E_-E+为禁带宽度，说明热平衡时两种载流子浓度的乘积等于一个常数（杂质半导体中乘积满足相同常数）。本征半导体费米能级（基本位于禁带中央）1.2半导体物理基础 三、热平衡载流子杂质半导体费米能级N型位于施主能级和导带底的正中间（近似填满）P型位于受主能级和价带底的正中间（近似空带）温度升高时逐渐向本征费米能级靠近（杂质对低温导电影响大）现在是46页\一共有73页\编辑于星期日46热平衡态下，半导体内部电子和空穴的产生率和复合率相等，系统保持相对平衡状态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。非热平衡时导带和价带中电子和空穴的浓度为n=n0+Δnp=p0+Δp保持外界条件不变，系统将逐渐达到新的平衡状态，载流子浓度增加。撤掉外界条件，系统又将恢复原来的平衡状态四、非平衡载流子1.2半导体物理基础 现在是47页\一共有73页\编辑于星期日47四、非平衡载流子描述复合的参数----寿命使非平衡载流子浓度增加的运动称为产生使非平衡载流子浓度减少的运动称为复合

复合率：=Δn/τ(或Δp/τ)非平衡载流子寿命τ（P32）它表征复合的强弱，τ小表示复合快，τ大表示复合慢非平衡载流子的衰减随时间的变化关系它决定了光电器件的时间特性非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间1.2半导体物理基础 现在是48页\一共有73页\编辑于星期日48四、非平衡载流子非平衡载流子的复合方式（P33图2-13）直接复合：导带中电子直接跳到价带，与价带中空穴复合。间接复合：通过复合中心复合复合中心指禁带中杂质（深能级杂志）及缺陷间接复合：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；。体内复合与表面复合：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。1.2半导体物理基础 价带导带价带导带杂质除了改变载流子，提供复合中心，还可以充当陷阱，积累载流子（形式上与施主、受主作用相反）。现在是49页\一共有73页\编辑于星期日49陷阱效应半导体内杂质上的电子数会因某种原因增加或减少,形成累积非平衡载流子的作用就叫陷阱作用所有杂质均有一定的陷阱作用，但有显著陷阱作用的杂质能级称为陷阱显著陷阱作用的条件俘获电子和空穴的能力差别大（称作电子陷阱或空穴陷阱）陷阱对少子作用更明显（宽禁带、低温），对于多数载流子，除非陷阱密度较大到可与多子相比拟时，陷阱效应才不能忽略杂质能级的位置：如对于电子陷阱，杂质能级得在费米能级之上较深的位置（有空位，且热激发尽量弱），即能够尽量与费米能级重合,陷阱效应最显著（空穴陷阱类似也得尽可能与费米能级重合）陷阱效应影响半导体的性质:寿命,灵敏度等（如少子陷阱，增加了多子的寿命，提高定态光电导灵敏度；多子陷阱，减少多子数目，减弱定态光电导灵敏度。）四、非平衡载流子1.2半导体物理基础 现在是50页\一共有73页\编辑于星期日50五、载流子的运动：扩散和漂移1.扩散运动:高浓度低浓度载流子浓度不均匀情况下的无规则热运动的结果扩散流与浓度梯度成正比2.漂移运动:外电场驱使载流子在电场的加速作用下，除热运动之外获得的附加运动忽略扩散，漂移+散射→平均漂移速度:3.混合运动:扩散+漂移扩散系数与迁移率关系（适用平衡及非平衡情况，一般情况漂移电流多子贡献，扩散电流少子贡献）1.2半导体物理基础 现在是51页\一共有73页\编辑于星期日511.本征吸收(吸收系数105，发生在微米量级的表面层内，表面状态影响大)光子作用使电子由价带跃迁到导带入射光子能量大于禁带宽度时(hν≥Eg)才能发生本征吸收长波限λ0：λ0=ch/Eg=1.24/Eg(µm)2.杂质吸收杂质能级中的电子与空穴吸收光子后跃迁杂质电子吸收光子，会从杂质能级跃迁到导带；价带电子吸收光子，会从价带能级跃入杂质能级长波限λ0：λ0=ch/ΔEi=1.24/ΔEi(µm)出现在本征吸收限外的长波区六、半导体对光的吸收1.2半导体物理基础 现在是52页\一共有73页\编辑于星期日523.自由载流子吸收自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁吸收系数α与波长λ的关系（吸收光谱）：光子牵引效应（外加动量的传递，光生伏特效应）4.激子吸收吸收光子形成可动的电子-空穴对(激子)，整体自由运动、电中性激子能量小于电子，能级处于禁带中（长波限的长波侧形成尖锐的吸收线）5.晶格吸收光子直接转变成晶格原子的振动晶格原子振动能量的变化为hν的整数倍（光谱范围与晶格振动频率在一个数量级）1.2半导体物理基础 现在是53页\一共有73页\编辑于星期日53七、PN结及金属与半导体的接触半导体:P型、N型、本征型(i型)合而成结（过渡区）：Pi结、Ni结、PN结１.ＰＮ结原理对半导体分别掺P型和N型杂质,形成从P型区到N型区之间的过渡区称为PN结扩散形成内建电场ε(微米量级，强电场)热平衡下的PN结内建电势正向导电性平衡过程将两个费米能级拉平（两种理解：经典扩散理论或量子论化学势角度）1.2半导体物理基础 现在是54页\一共有73页\编辑于星期日54势垒形成及外场作用现在是55页\一共有73页\编辑于星期日55

p-n结单向导电的原因在于：由于结区中载流子浓度很低，是高阻区，如果加上正向偏压V，V使P区电势升高，则势垒降低，电子不断从n区向P区扩散，空穴也不断从p区向n区扩散，由于是多子运动，所以随外加电压的增加。扩散电流显著增加；反之施加反向偏压-V时，外加电场与自建电场一致，使势垒升高，由于是少子运动，所以反向电流很小，且不随反向电场的增大而增加。现在是56页\一共有73页\编辑于星期日56非平衡态下的PN结电子、空穴浓度积：准费米能级平衡时，V=0，PN结加正向电压（或光照）时，V>0，增加的载流子形成正向电流（势垒VD降为VD-V）PN结加反向电压时，V<0，减少的载流子形成反向电流（提高势垒，易饱和）PN结伏安特性公式（纯扩散）1.2半导体物理基础 指数关系现在是57页\一共有73页\编辑于星期日57七、PN结及金属与半导体的接触2.半导体异质结禁带宽度不同的两种不同质半导体材料接触而组成的结两种不同的半导体材料构成的结金属、绝缘体与半导体构成的结Anderson假设晶格完全匹配：晶格结构、晶格常数、热膨胀系数相同具有不同的禁带宽度、介电常数、功函数（费米能级到真空能级差）、电子亲和能（导带到真空能级差）异质结能带结构晶格失配系数<1%内建电场为两种材料两个内建电场电压之和异质结的电流-电压特性：指数规律1.2半导体物理基础 阻止电子扩散的势垒远比阻止空穴的势垒小（空穴扩散忽略，仅考虑正反向电子电流，且有V1＞V2）现在是58页\一共有73页\编辑于星期日58七、PN结及金属与半导体的接触3.肖特基势垒金属与半导体接触界面耗尽层势垒阻挡接触（理解右图）金属与N型(a):耗尽层金属与P型(b):空穴势垒加正向偏压(c)(d)加反向偏压(e)(f)电流-电压关系电流是多数载流子越过势垒的热离子发射产生的1.2半导体物理基础 与PN结完全类似的指数关系（正向偏置：使势垒降低，注意金属端的极性）NP注意：输运实验中要避免肖特基接触！现在是59页\一共有73页\编辑于星期日594.注入接触（I-V超线性关系）与欧姆接触（线性关系）金属与N型半导体的接触(a)金属的费米能级高于半导体电子由金属注入半导体,构成负空间电荷区金属与P型半导体的接触(b)半导体的费米能级高于金属电子由半导体注入金属,构成正空间电荷区注入接触:空间电荷区欧姆接触:金属与半导体逸出功相同,无电荷转移1.2半导体物理基础 现在是60页\一共有73页\编辑于星期日601.3光电效应光电效应：因光照而引起物体电学特性改变的现象发射电子、导电率变化、产生光电动势外光电效应（金属及金属氧化物）:光电管、光电倍增管受光照后向外发射电子的现象内光电效应（半导体及绝缘体）光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部光电导效应:光照后载流子显著增加而电阻减小光生伏特效应:光照时在半导体两侧产生光电动势现在是61页\一共有73页\编辑于星期日61硫化物、氧化物、卤化物光照时电阻减少本征光电导光照使电子获得足够能量越过禁带而跃入导带，产生大量光生载流子参与导电长波阀值：λ0=1.44/Eg杂质光电导P、N型半导体杂质光电导比本征光电导微弱（杂质原子少）描述参数：1.灵敏度2.弛豫时间3.光谱分布一、光电导效应1.3光电效应现在是62页\一共有73页\编辑于星期日62一、光电导效应1.光电导体的灵敏度给定条件下,单位照度所引起的光电流用光电增益G表示：ε，电场强度μ，迁移率：载流子在单位电场作用下的漂移速度l,光电导体两极间距U，外加电源电压与非平衡载流子寿命、迁移率成正比,与电极间距平方成反比若电子空穴都参与导电β，量了产额(量子效率)：吸收一个光子所产生的电子空穴对数τ，光生载流子寿命tL，载流子在光电导两极间的渡越时间现在是63页\一共有73页\编辑于星期日63一、光电导效应2.光电导的弛豫（光生载流子的产生与复合不是瞬时完成）光照后光电导重新达到稳态所需时间弛豫时间长，惯性大；弛豫时间短，则惯性小光生载流子浓度（与光电导增量成正比）与光强的关系：直线性光电导（定态）定态情形（光持续稳定或持续没有，即平衡态，此时复合率等于产生率）：非定态情形（1）：刚开始光照时非定态情形（2）：刚结束光照：1.3光电效应现在是64页\一共有73页\编辑于星期日64抛物线性光电导（定态）假设：复合率与光生载流子密度的平方成正比，即=b(Δn)(Δn)定态条件：光生载流子密度及电导率增量与光强平方根近似成正比；光电流随时间按双曲线性规律下降光强越高，抛物线性光电导的弛豫时间越短惯性小（弛豫时间小），定态灵敏度低；定态灵敏度高，惯性大1.3光电效应考虑非定态情形：现在是65页\一共有73页\编辑于星期日65一、光电导效应3.光电导的光谱分布：

光电导的大小与照射光的波长有关本征光电导的光谱分布不同的半导体材料有不同的光谱响应曲线光谱分布有一长波限（曲线峰值左右不对称的解释P46）杂质光电导的光谱分布杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长（电离能小）杂质光电导效应微弱（杂质少）杂质光电导的测量是研究杂质能级的重要方法（低温条件下）1.3光电效应现在是66页\一共有73页\编辑于星期日66二、光生伏特效应光照使半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象内建电场(势垒效应)PN结、异质结、肖特基势垒都存在内建电场光照时接触界面起了电池作用结上光电压与光电流关系1.3光电效应a)无光照时，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。b)稳定光照下P-N结开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。c)稳定光照下P-N结短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后形成短路电流。d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流流经外电路，势垒高度为q(UD-Uf)。现在是67页\一共有73页\编辑于星期日67体积光生伏特效应（第二类光生伏特效应）丹倍效应:由于光生载流子的扩散速度（跟有效质量成反比）的不同而导致在光的传播方向上产生电位差的现象表面至内部的载流子浓度梯度丹倍电压或扩散电压（通常较低）丹倍电压与载流子迁移率之差成正比，小信号时还与光强成正比：输出功率低：未照部分电阻高，压降高（P49）光磁电效应（跟扩散和迁移率有关）：相当大光强度范围内，开路电压与光强度成正比光子牵引效应：光子与自由载流子作用，速度快（无复合问题10-10s），但效率低（kW级输入mV级输出）现在是68页\一共有73页\编辑于星期日681905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。

三、光电发射效应光照时光敏物质中电子能逸出表面现在是69页\一共有73页\编辑于星期日69过程（激