第光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)PPT課件

1、濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12.1 光的基本性質(zhì)2.2 輻射與光度學(xué)量（雷2.1）2.3 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識（雷2.2）2.4 光電效應(yīng)（雷2.3）主要內(nèi)容第1頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院22.1 2.1 光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 牛頓微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動理論 惠更斯、楊氏和費涅耳等 解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波第2頁/共70頁第3頁/共70頁第4頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5 光量子說 1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射

2、現(xiàn)象時提出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性第5頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院62.2 輻射度和光度量的基本物理量輻射度和光度量的基本物理量 輻射是一種能的形式，它有電磁本質(zhì)，又具有量子性質(zhì)。輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量。光度量是光輻射能為人眼接受所引起的視覺刺激大小的度量，即光度量是具有平均人眼視覺響應(yīng)特性的人眼所接收到的輻射量的度量。因此，輻射度量和光度量都可定量地描述輻射能強(qiáng)度，但輻射度量是輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量；而光度量則還包括了生理學(xué)、心理學(xué)的概念在內(nèi)。第6頁/共70頁附：立體角知識：第7頁/共70頁P(yáng)xyzo),(zyxM

3、rzyxA第8頁/共70頁思考：整個球面的立體角是多少？第9頁/共70頁輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳J輻射通量e：單位時間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時間變化率。單位：瓦輻射強(qiáng)度e：點輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr dtdQeeddIee一 光的輻射度量，下標(biāo)“e”第10頁/共70頁單位：瓦特 球面度-1（W sr-1）。 由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個置于各向同性均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是 e，則該點輻射體在各個方向的輻射強(qiáng)度Ie是常量，有ddIee輻射強(qiáng)度e：點輻

4、射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr4eeI第11頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12 輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W/m2 輻射出射度e ：輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2dAdEeedAdMeedAdA第12頁/共70頁coscos2dSdddSdILeee輻射亮度e ：輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr式中 是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度 米2第13頁/共70頁光譜輻射通量（）：輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。二 光譜輻射度量（輻射量的光譜密度），下標(biāo)“”dde）

5、（）（de0）（光譜輻射出射度ddMMe）（）（光譜輻照度ddEEe）（）（ddIIe）（）（d（）dL（）Le光譜輻射強(qiáng)度光譜輻射亮度第14頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院15基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強(qiáng)度瓦特球面度Wsr-1輻射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1輻射出射度瓦特平方米Wm-2輻射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/第15頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院16大量的光源是作為照明用途

6、，照明光源的特性只用前面所述的一些能量參數(shù)來描述是不夠的，因為能量參數(shù)并沒有考慮到人眼的作用。由于照明的效果最終是以人眼來評定，因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺的光學(xué)參量即光度量來描述。三 光度量 下標(biāo)為第16頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院17視見函數(shù)（光譜光視效率）V（）是CIE推薦的平均人眼光譜光視效率（或稱視見函數(shù)），表示人眼對不同波長輻射的敏感度差別。對于明視覺，對應(yīng)為輻射通量e（555）與某波長能對平均人眼產(chǎn)生相同光視刺激的輻射通量e（）的比值。另一定義：在引起相同的視覺響應(yīng)條件下，若光波長為的光所需要的光輻射功率為P()，而對光波長為555nm的光（人眼對此波長的光

7、最敏感）所需要的光輻射功率為P(555)，則定義 V()=P(555)/P() 為波長的視見函數(shù) V()= e(555)/ e()第17頁/共70頁第18頁/共70頁光通量v：光輻射通量對人眼所引起的視覺強(qiáng)度值。單位：流明lm。nmnmememdKdVK780380)(）（）（Km是最大光譜光視效能（常數(shù)）,對于555nm的明視覺，Km=683lm/W.第19頁/共70頁Km是最大光譜光視效能（常數(shù)）,對于555nm的明視覺，Km=683lm/W.光通量光譜輻射通量第20頁/共70頁發(fā)光強(qiáng)度Iv：光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。單位：坎德拉（Candela）cd，它是國際單位制中七

8、個基本單位之一。該光源發(fā)出頻率為540*1012 Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/Sr。光照度Ev：單位面積所接受的入射光的量 ，單位：勒克斯lx（ lm/m2 ），相當(dāng)于 1平方米面積上接受到1個流明的光通量。光出射度：lm/m2 ddIdAdEdAdM第21頁/共70頁cosAddIL 光亮度：cd/m2，坎德拉每平方米第22頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院23 光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下標(biāo)為v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。 光度量只在可見光區(qū)（nm)才有意義。 輻射度量和光度量

9、都是波長的函數(shù)。 第23頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院24晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50500lx陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度5060lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第24頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院252.2 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體 平衡和非平

10、衡載流子 載流子的輸運(yùn)過程 半導(dǎo)體的光吸收 PN結(jié) 金屬與半導(dǎo)體接觸第25頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院26導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。 電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體 電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體第26頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院27半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測器件。導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。如，純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為

11、5*10-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導(dǎo)率為2 /(歐姆厘米)。摻雜物質(zhì)不同，可得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。第27頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院28常見的半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體：硅、鍺、硒等；化合物半導(dǎo)體：砷化鉀、硫化鎘等；氧化物半導(dǎo)體：氧化亞銅等；有機(jī)半導(dǎo)體，玻璃半導(dǎo)體，稀土半導(dǎo)體，熔體半導(dǎo)體可以制作熱敏器件、光電器件、場效應(yīng)器件等，以及各種二極管、三極管、集成電路等。第28頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院29能帶理論能帶理論 原子中電子三個特點：1.電子繞核運(yùn)動，具有完全確定能量；2.由于微觀粒子的波粒二象性，“軌

12、道”指電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域；3.遵循泡利不相容原理；電子能級概念 能帶理論（半導(dǎo)體物理的理論基礎(chǔ)）第29頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院30 晶體中電子的能帶 晶體：原子以一定周期重復(fù)排列所構(gòu)成的物體。晶體中，原子相距很近，不同原子的電子軌道會發(fā)生交迭，導(dǎo)致電子可以由一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子上，成為整個晶體共有的電子，這叫做電子的共有化。只有能量相同的量子態(tài)之間才會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。電子共有化造成了電子能級不同程度的分裂，分裂后的能級相差很小，分布在一定區(qū)域；能帶：能量區(qū)域中密集的能級稱為“能帶”。第30頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院31能帶中的能級相差很小，可以看作是連續(xù)的。第3

13、1頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院32價帶：共價鍵結(jié)合的晶體中，由于剛好填滿相對應(yīng)的能級，能量最高的價數(shù)填滿的能帶稱為價帶。導(dǎo)帶：價帶以上的能帶都是空帶，能量最低的空帶叫做導(dǎo)帶。禁帶：價帶和導(dǎo)帶之間的區(qū)域。第32頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院33注意：能帶與原子能級的對應(yīng)關(guān)系并不單純，能帶圖并不實際存在。只是用來著重說明電子能量分布情況。第33頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院34半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制晶體中電子運(yùn)動狀態(tài)的改變、發(fā)生躍遷，一般需滿足兩個條件：1.具有能向電子提供能量的外界作用，2.電子要躍遷的那個能級是空的（泡利不相容原理）。導(dǎo)電類型：導(dǎo)帶中電子導(dǎo)電價帶中空穴導(dǎo)電第

14、34頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院35導(dǎo)帶電子導(dǎo)電：導(dǎo)帶中存在空能級，在外加電場影響下，導(dǎo)帶中的電子躍遷到空能級中，產(chǎn)生定向移動的電子，形成電流。價帶空穴導(dǎo)電：價帶中一般是填滿的，電子運(yùn)動狀態(tài)無法改變，不能形成電流；在外界作用下，價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，電子留下空位（稱為空穴）。在電場作用下，臨近電子躍入到空穴后，又產(chǎn)生新的空穴，其它電子又可以躍入到新空穴中，形成了電子的定向移動，有電流產(chǎn)生。由于空穴的運(yùn)動與電子移動方向相反，相當(dāng)于正電粒子。載流子：電子和空穴第35頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院36本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)

15、體。 在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。（無導(dǎo)電能力） 有外界作用時，由于禁帶寬度較小，價帶電子可直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，本征 半導(dǎo)體有導(dǎo)電能力了。 載流子只由本征激發(fā)產(chǎn) 生，導(dǎo)帶電子和價帶空 穴數(shù)目相同。特性1 1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體第36頁/共70頁 晶體總是含有缺陷和雜質(zhì)的，半導(dǎo)體的許多特性由所含雜質(zhì)和缺陷決定。 這是因為：在雜質(zhì)和缺陷附近可形成束縛電子態(tài)。 雜質(zhì)原子能級與晶體原子能級不同，雜質(zhì)的能級可以在晶體能級的禁帶中。即束縛態(tài)的能量一般處在禁帶中。2 2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體第37頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院38在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定

16、的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮樱拱雽?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。（族元素：磷、砷、銻等）受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。 （族元素：硼、鋁、鉀、銦等）電離：施主（或受主）能級上的電子（或空穴）躍遷到導(dǎo)帶（或價帶）的過程成為電離。第38頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院39 n型半導(dǎo)體中，電子多于空穴，電子被稱為多數(shù)載流子。 p型半導(dǎo)體中，電子少于空穴，空穴被稱為多數(shù)載流子。第39頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技

17、術(shù)學(xué)院40平衡和非平衡載流子平衡和非平衡載流子 處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。 第40頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院41非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的產(chǎn)生 光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時，光

18、子就能把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法：電注入、高能粒子輻照等。00nnnppp第41頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院42載流子的輸運(yùn)過程載流子的輸運(yùn)過程 擴(kuò)散 濃度不均勻 漂移 外部電場的作用 復(fù)合：a.直接復(fù)合，自由電子和自由電子和自由空穴直接復(fù)合 b.間接復(fù)合，雜質(zhì)能級（禁帶中的深能級）作為復(fù)合中心第42頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院43半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體對光的吸收 物體受光照射，一部分光被物體反射，

19、一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。 吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收 本征吸收由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)生本征激發(fā)第43頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院440/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的長波限第44頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院45雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收 引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，所以這種吸收在本征吸收限以外的長波區(qū) 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。1.24()d

20、aEE=dcDaAvEEEEEE電離能電離能雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收的長波限的長波限0第45頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院46結(jié)結(jié) 將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。 是二極管、三極管、集成電路和其它結(jié)型光電器件最基本的結(jié)構(gòu)單元。第46頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院47第47頁/共70頁（1）熱平衡下的PN結(jié)：熱平衡時，擴(kuò)散流等于漂移流PNFFDEEqV其中，VD為接觸電勢差或內(nèi)建電勢，它是結(jié)區(qū)出現(xiàn)的電勢差。DqV稱為勢壘高度。熱平衡過程實際上將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的兩個費米能級拉平了。第48頁/共70頁（2）

21、非熱平衡下的PN結(jié)：非熱平衡時，載流子濃度乘積FFEEqVkTqVienpn2非平衡狀態(tài)下電子和空穴的費米能級，稱之為準(zhǔn)費米能級。FFEE ,V=0:平衡態(tài)V0:PN結(jié)上加正向電壓VWWs s形成表面勢壘形成表面勢壘勢壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多勢壘區(qū)電子濃度比體內(nèi)小得多高阻區(qū)高阻區(qū)( (阻擋阻擋 層層) )。界面處的勢壘通常稱為界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘肖特基勢壘。第59頁/共70頁若若WWm mWWWs s，能帶向，能帶向上彎曲，形成上彎曲，形成P P型反阻擋層。型反阻擋層。金屬與金屬與p p型半導(dǎo)體接觸時，若型半導(dǎo)體接觸時，若WWm mWWWs s阻擋層阻擋層（肖特基勢壘）（肖特基勢壘）

22、反阻擋層反阻擋層（歐姆接觸）（歐姆接觸）WWm mWWs s反阻擋層反阻擋層（歐姆接觸）（歐姆接觸）阻擋層阻擋層（肖特基勢壘）（肖特基勢壘）上述金半接觸模型即為上述金半接觸模型即為Schottky Schottky 模型：模型：第63頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院642.3 2.3 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)包括：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。第64頁/共70頁濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院65 外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。光電器件中，光電管、光電倍增管等。 內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)第65頁/共70頁光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象。最重要的參數(shù)是靈敏度、弛豫時間和光譜分布。靈敏度：一定條件下，單位照度所引起的光電流?？梢杂霉怆娫鲆鍳表示。弛豫時間：光電導(dǎo)上升或下降的