光電傳感器應(yīng)用技術(shù)實(shí)用教案

1、1.6.1 1.6.1 內(nèi)光電效內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)(un din (un din xio yng) xio yng) 1. 光電導(dǎo)效應(yīng)(xioyng) 光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種，本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子(dinz)吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子(dinz)，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子(dinz)與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 第1頁(yè)/共27頁(yè)第一頁(yè)，共28頁(yè)。 通量為e,的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長(zhǎng)的單色輻射全部(qunb)被吸收，則光敏

2、層單位時(shí)間所吸收的量子數(shù)密度Ne,應(yīng)為 bdlhNe,e,(1-73) 第2頁(yè)/共27頁(yè)第二頁(yè)，共28頁(yè)。光敏層每秒產(chǎn)生的電子(dinz)數(shù)密度Ge為 e,eNG （1-74） 在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生(chnshng)率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生(chnshng)率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生(chnshng)率Gt與光電子產(chǎn)生(chnshng)率Ge之和 ttrNGGe,e（1-75） 第3頁(yè)/共27頁(yè)第三頁(yè)，共28頁(yè)。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴(kn xu)的總復(fù)合率R應(yīng)為 )(iifppnnKR（1-76） 式中，Kf為載流子的復(fù)合(fh)幾率，n為導(dǎo)帶中的光生電子濃

3、度，p為導(dǎo)帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。 同樣，熱電子復(fù)合(fh)率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即 iiftpnKr （1-77） 第4頁(yè)/共27頁(yè)第四頁(yè)，共28頁(yè)。 在熱平衡狀態(tài)(zhungti)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與符合率相等。即 )(, eiifiifppnnKpnKN（1-78） 在非平衡(pnghng)狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即 )(dd, eiifiifppnnKpnKNtn)(, eiifnppnpnKN（1-79） 第5頁(yè)/共27頁(yè)第五頁(yè)，共28頁(yè)。下面分為兩種情況討論：（1）在微弱輻

4、射作用(zuyng)下，光生載流子濃度n遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度p遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，n=p，式（1-79）可簡(jiǎn)化為 )(dd, eiifpnnKNtn利用(lyng)初始條件t = 0時(shí)，n = 0，解微分方程得 )1 (, eteNn（1-80） 式中=1/Kf(ni+pi)稱為(chn wi)載流子的平均壽命。 第6頁(yè)/共27頁(yè)第六頁(yè)，共28頁(yè)。由式（1-80）可見(jiàn)，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t時(shí)，載流子濃度n達(dá)到(d do)穩(wěn)態(tài)值n0，即達(dá)到(d do)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài) , e0Nn （1-81） 光激發(fā)(jf)載流子引起半導(dǎo)體電

5、導(dǎo)率的變化為 , eNqnq（1-82） 式中，為電子(dinz)遷移率n與空穴遷移率p之和。 半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為 , eNlbdqlbdg（1-83） 第7頁(yè)/共27頁(yè)第七頁(yè)，共28頁(yè)。 可以看出，在弱輻射作用(zuyng)下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與入射輻射通量e,成線性關(guān)系。 求導(dǎo)可得 ,2ddelhqg由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射(fsh)作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg 2,d dhclqgSeg（1-85） 可見(jiàn)，在弱輻射作用(zuyng)下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度l的平方成反比。 第8頁(yè)/共27頁(yè)第八頁(yè)，共28頁(yè)。（2）在強(qiáng)輻射的作用(zu

6、yng)下，nni，ppi（1-79）式可以簡(jiǎn)化為 2, eddnKNtnf利用(lyng)初始條件t = 0時(shí)，n = 0，解微分方程得 tKNnftanh21e,（1-86） 式中， 為強(qiáng)輻射作用(zuyng)下載流子的平均壽命。 e,1NKf第9頁(yè)/共27頁(yè)第九頁(yè)，共28頁(yè)。 強(qiáng)輻射(fsh)情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射(fsh)通量間的關(guān)系為 21,213eflKhbdqg（1-87） 拋物線關(guān)系(gun x)。 進(jìn)行(jnxng)微分得 ,21,213d21deeflKhbdqg（1-88） 在強(qiáng)輻射作用的情況下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)

7、，是非線性的。 第10頁(yè)/共27頁(yè)第十頁(yè)，共28頁(yè)。2. 2. 光生光生(un (un shn)shn)伏特效應(yīng)伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分開(kāi)，并分別向如圖1-11所示的方向(fngxing)運(yùn)動(dòng)， 形成光生伏特(ft)電壓或光生電流的現(xiàn)象。 第11頁(yè)/共27頁(yè)第十一頁(yè)，共28頁(yè)。半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)(dush)載流子要進(jìn)行相對(duì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以便平衡它們的費(fèi)米能級(jí)差，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平

8、衡時(shí)，它們具有如圖所示的同一費(fèi)米能級(jí)EF，并在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。第12頁(yè)/共27頁(yè)第十二頁(yè)，共28頁(yè)。當(dāng)設(shè)定(sh dn)內(nèi)建電場(chǎng)的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為e,的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過(guò)負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過(guò)負(fù)載電阻的電流應(yīng)為 ) 1(KTqUDeIII（1-89） 式中， I為光生(un shn)電流，ID為暗電流。第13頁(yè)/共27頁(yè)第十三頁(yè)，共28頁(yè)。, e)1 (ehqIIdsc當(dāng)然，從（1-89）式也可以獲得I的另一種(y zhn)定義，當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)的輸出

9、電流ISC即短路電流，并有 （1-90） 同樣(tngyng)，當(dāng)I=0時(shí)（PN結(jié)開(kāi)路），PN結(jié)兩端的開(kāi)路電壓UOC為 ) 1ln(OCDIIqKTU（1-91） 第14頁(yè)/共27頁(yè)第十四頁(yè)，共28頁(yè)。光電二極管在反向偏置的情況下，輸出(shch)的電流為 I=I+ID （1-92） 光電二極管的暗電流(dinli)ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流(dinli)I，因此，常將其忽略。光電二極管的電流(dinli)與入射輻射成線性關(guān)系 ,)1 (edehqI（1-93）第15頁(yè)/共27頁(yè)第十五頁(yè)，共28頁(yè)。3. 3. 丹培（丹培（DemberDember）效應(yīng)）效應(yīng)(xioyng) (xioyng) 如

10、圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，在曝光(bo gung)區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。 這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生(chnshng)受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。 第16頁(yè)/共27頁(yè)第十六頁(yè)，共28頁(yè)。丹培效應(yīng)產(chǎn)生(chnshng)的光生電壓可由下式計(jì)算 pnpnpnpnDpnnqKTU0001ln式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；n0為半導(dǎo)體表面(biomin)處的光生載流子濃度；n與p分別為電子與空穴的遷移率。n=1400cm2/(Vs)，而p=500 cm2/(Vs)，

11、顯然，np。 半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象(xinxing)為丹培效應(yīng)。 第17頁(yè)/共27頁(yè)第十七頁(yè)，共28頁(yè)。4.4.光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng)(xioyng) (xioyng) 在半導(dǎo)體上外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向與光照方向垂直(chuzh)，當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。 結(jié)果在垂直于光照方向與磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生(chnshng)伏特電壓，稱為光磁電場(chǎng)。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。 第

12、18頁(yè)/共27頁(yè)第十八頁(yè)，共28頁(yè)。光磁電場(chǎng)(din chng)為 pndpnZpnppqBDE000)(（1-95） 式中，p0，pd分別為x=0，x=d處n型半導(dǎo)體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)(shosh)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于 pnpnpDnDpnDDD)(（1-96） 其中(qzhng)，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。 第19頁(yè)/共27頁(yè)第十九頁(yè)，共28頁(yè)。5. 5. 光子牽引光子牽引(qinyn)(qinyn)效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，

13、在開(kāi)路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場(chǎng)，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)(xioyng)。在室溫下，P型鍺光子牽引探測(cè)器的光電靈敏度為 00111)1 (ppppreeAcrSllpv第20頁(yè)/共27頁(yè)第二十頁(yè)，共28頁(yè)。1.6.2 1.6.2 光電發(fā)射光電發(fā)射(fsh)(fsh)效應(yīng)效應(yīng) 當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收(xshu)足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為 thEmvh2021（1-99） 表明，具有能量的光子被電子(dinz)吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值E

14、th，則質(zhì)量為m的電子(dinz)的初始動(dòng)能便大于0。 第21頁(yè)/共27頁(yè)第二十一頁(yè)，共28頁(yè)。光電發(fā)射(fsh)閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，對(duì)于金屬材料，由于它的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1-15所示，導(dǎo)帶與價(jià)帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射(fsh)閾值Eth等于真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差 fEEEvacth（1-100）式中，為真空能級(jí)，一般設(shè)為參考能級(jí)為0；費(fèi)米能級(jí)為低于真空能級(jí)的負(fù)值(f zh)；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。 第22頁(yè)/共27頁(yè)第二十二頁(yè)，共28頁(yè)。對(duì)于半導(dǎo)體，情況較為復(fù)雜，半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體中又分為P型與N型雜質(zhì)半導(dǎo)體，其能級(jí)(nngj)

15、結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的綜合能級(jí)(nngj)結(jié)構(gòu)圖，由能級(jí)(nngj)結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的電子的光電發(fā)射閾值為 AthEE 即導(dǎo)帶中的電子接收的能量大于電子親合勢(shì)為EA的光子(gungz)后就可以飛出半導(dǎo)體表面。 第23頁(yè)/共27頁(yè)第二十三頁(yè)，共28頁(yè)。而對(duì)于(duy)價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為 AgthEEE（1-102） 光電發(fā)射(fsh)長(zhǎng)波限為 )nm(1239ththLEEhc（1-103） 利用具有光電發(fā)射效應(yīng)的材料也可以(ky)制成各種光電探測(cè)器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。 第24頁(yè)/共27頁(yè)第二十四頁(yè)，共28頁(yè)。光電發(fā)

16、射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)： 1. 電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過(guò)電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能高速度地探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。 2. 很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。 3. 光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。 4. 光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍(fnwi)一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。 第25頁(yè)/共27頁(yè)第二十五頁(yè)，共28頁(yè)。習(xí)題(xt) 11、12、13、15第26頁(yè)/共27頁(yè)第二十六頁(yè)，共28