光電材料與器件：第四章 光電導材料及器件

1、第四章光電導材料及器件數碼相機為什么能實現自動曝光？一、光電導型探測器簡介光控開關光敏電阻結構示意圖 光電導材料硫化物、氧化物、鹵化物 常用材料CdS、CdSe、PbS、InSb、TeCdHgCdS的應用最多PbS、TeCdHg主要用于軍事利用半導體光電導效應制成的器件稱為光電導探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器又稱為光敏電阻 光譜響應：紫外遠紅外 工作電流大，可達數毫安 可測強光，可測弱光 靈敏度高，光電導增益大于1 無極性光電導探測器的特點光電導探測器的定義及特點第一節(jié)：本征光電導和雜質光電導 1、光電導產生的原因暗（無光照時）電導率半導體的電導率光照時的電導率光照時

2、的非平衡載流子注入產生的附加電導率稱為光電導率暗電流（越小越好）1、光電導產生的原因（續(xù)）光激發(fā)載流子濃度增加電導率增加光電導效應只發(fā)生在半導體材料中，金屬沒有光電導效應。 2. 光電導效應的分類按基本激發(fā)過程分類本征光電導探測器雜質光電導探測器光子能量大于半導體的禁帶寬度，使電子從價帶激發(fā)到導帶而改變其電導率入射輻射激發(fā)雜質能級上的電子或空穴而改變其電導率1.極低溫度下工作；2. 常用N型 為紅限波長1、雜質吸收和光電導的長波限比本征吸收和光電導長波限要大得多 雜質光電導與本征光電導比較2、雜質吸收和雜質光電導比本征吸收和本征光電導弱得多 3、雜質光電導必須低溫下工作以避免雜質中心的熱電離并

3、使暗電導保持低值 4、本征光電導光的吸收深度可以淺得多，光電導的出現僅限于接近表面的薄層雜質光電導吸收深度大，必須把光電導樣品做得比較厚5、本征光電導同時產生等量的自由電子和自由空穴，兩者都對光電導作出貢獻；雜質光電導來說，只激發(fā)一種自由載流子(電子或空穴) 6、雜質光電導和本征光電導對光強的依從關系不同雜質濃度通常比主晶格原子濃度要小好幾個數量級 第二節(jié) 光電導理論分析 設樣品均勻地受到總功率：E樣品受照表面的反射系數：R量子效率：1樣品的厚度足夠大，透過入射面的光全被吸收，吸收的光子數：樣品中每秒鐘內產生的總電子-空穴對數目 穩(wěn)態(tài)非平衡載流子數 穩(wěn)態(tài)光電導 暗電導 穩(wěn)態(tài)光電流 U：施加電壓

4、遷移率應該大平均壽命長量子效率大反射低長度應短第三節(jié) 光電導靈敏度 1) 比靈敏度穩(wěn)態(tài)光電導和電極之間距離平方的乘積除以入射的光功率 載流子壽命越高，比靈敏度就越高 量子效率越高，比靈敏度就越高 光電導增益 比靈敏度相對光電導 響應度 2) 光電導增益 G 一秒鐘內每一個吸收的光子在兩個電極之間所通過的載流子數目 載流子遷移率和壽命越長，光電導增益就越大樣品長度縮短也可以使光電導增益增大 渡越時間吸收一個光子產生的載流子可以在電極之間多次通過，對光電導作出貢獻 比靈敏度和光電導增益之間的關系高靈敏度材料制成的器件光電導增益也高 如何提高光電導增益G？選用平均壽命長、遷移率大的半導體材料；減少電

5、極間距離；適當加大偏壓參數選擇合適時，M值可達102量級3) 相對光電導 穩(wěn)態(tài)光電導與暗電導之比 需規(guī)定測量時所用的光強度用高阻材料制成光敏電阻器或在低溫下使用第四節(jié)：光電導與光強度的關系 1）雜質光電導情況穩(wěn)態(tài)：暗態(tài)：A）暗態(tài)1）雜質光電導情況B）光照情況下（光照較弱時）：光生非平衡載流子濃度 激發(fā)光強度不大時，光電響應應為線性的 C）光照情況下（光照較強時）穩(wěn)態(tài)載流子濃度方程穩(wěn)態(tài)載流子濃度光照較強時，光電響應表現為亞線性總結：在光強度低時得到線性響應雜質光電導的光電響應線性度在光強度高時得到較低的亞線性響應第四節(jié)：光電導與光強度的關系（續(xù)） 2）本征光電導情況A）只存在非平衡載流子直接復合

6、的本征光電導體 載流子濃度方程（1）暗態(tài)、穩(wěn)態(tài)載流子濃度（2）激發(fā)光不太強時弱激發(fā)穩(wěn)態(tài)非平衡載流子濃度小信號非平衡載流子壽命 B）通過復合中心進行間接復合 C）少數載流子被陷獲 （3）激發(fā)光很強時即自發(fā)產生率可以略去不計 穩(wěn)態(tài)方程式 可以認為本征光電導體 與光強度成正比 穩(wěn)態(tài)載流子濃度 總結：在光強度低時得到線性響應直接復合本征光電導的光電響應線性度在光強度高時得到較低的亞線性響應B）通過復合中心進行間接復合的情況 （4.45）（4.46）激發(fā)光強度低時：線性4) 本征光電導探測器的響應度 (1) 光生載流子的連續(xù)性方程本征半導體有： 4)本征光電導器件的性能分析(1) 光生載流子的連續(xù)性方程

7、本征半導體有： 本征光電導光生載流子變化的基本方程 （2）本征光電導探測器的響應度穩(wěn)態(tài)情況下分兩種情況討論不考慮載流子濃度梯度及表面復合考慮載流子濃度梯度及表面復合 本征光電導穩(wěn)態(tài)方程4) 光電導探測器的響應度 (a) 不考慮載流子濃度梯度及表面復合不考慮載流子的濃度梯度探測器內各處載流子濃度是均勻的，即體激發(fā)率也是均勻的其解為光生載流子濃度與體平均激發(fā)率成正比，與載流子壽命成正比光電導探測器的幾何模型光電導探測器光生載流子的電流密度為對于本征光電導有：其中：故光生電流為若無信號時的電阻(暗電阻)為Rd，則開路電壓為探測器的響應度為又：故：反射率對于本征光電導，其暗電阻率為故：p0:無信號照射

8、時空穴的濃度P0由兩部分構成：熱激發(fā)和背景輻射產生的光生載流子下標t：熱激發(fā)下標b：背景輻射從而：討論響應度與光生載流子壽命成正比響應度與無信號時的載流子濃度成反比響應度與外加電場成正比考慮到焦耳熱，外加電場應有一個最佳值在滿足d1的條件下，減少探測器厚度也對提高響應度有利減少反射，鍍增透膜也對提高響應度有利響應度與光電轉換量子效率成正比(b) 考慮載流子濃度梯度及表面復合體內的穩(wěn)態(tài)方程L：載流子擴散長度邊界條件：微分方程的解為：響應度為：要提高器件的響應度應盡量降低表面復合速度SV并盡可能減少d提高載流子壽命降低無信號時的載流子濃度低溫、濾除雜散光適當提高外加電場適當減少探測器厚度鍍增透膜提

9、高光電轉換量子效率歸納：提高光電導探測器響應度的措施表面鈍化處理、光電導層與襯底之間過渡層5） 本征光電導的時間響應光電導的響應與光生載流子n（ p）成正比 1）上升情況 時光電導探測器的弛豫現象(或滯后現象)愈大，曲線上升愈慢2）下降情況 時愈大，曲線下降愈慢光電導靈敏度響應速度5） 本征光電導的頻率響應輸入交變光信號輸出交變電壓信號6）雜質光電導探測器的響應度入射紅外輻射的光子能量比器件材料禁帶寬度小時只能激發(fā)雜質能級中的電子或空穴，使其電導率發(fā)生變化利用雜質光電導制成的器件必須處于低溫工作狀態(tài)，以保證雜質能級上的電子或空穴基本上未電離，即處于束縛狀態(tài)，從而有較高的暗電阻。雜質光電導材料的

10、吸收系數僅在10-11 cm-1在雜質光電導區(qū)，紅外輻射要透入探測器很“深”的距離。當探測器厚度不太厚時，一部分紅外輻射要透過紅外探測器雜質光電導探測器的響應度以n型半導體為例通常將展開，并略去高次項當探測器的工作溫度尚未達到足夠低時影響響應率的因素討論熱產生電子濃度n0t將大于背景輻射電子濃度n0b結論：可降低工作溫度使n0t和n1減小，以提高響應度當溫度下降到使 及 成立時溫度降低到一定程度后，再降低溫度，響應度也不會再提高了在足夠低的工作溫度下，如果受主濃度NA遠大于背景輻射產生的電子濃度，可以通過減小受主濃度來提高響應度d1的條件下，響應度與厚度無關。通常大多是想辦法通過多次全反射延長

11、光信號在探測器中的路程以增強器件對信號的吸收7）光譜特性可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻 在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶 2-硫化鎘多晶 3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻第六節(jié) 光電導材料應滿足長波響應的要求 1）對材料的要求：熱激發(fā)(暗發(fā)射)所形成的產生-復合噪聲低，即暗電流應盡可能小 熱噪聲電流應遠小于背景輻射光子噪聲電流。 高的線性吸收系數和量子效率。2）常用的光電導材料第七節(jié) 典型的光電導器件1）光敏電阻梳狀式 涂膜式 刻線式 1）光敏電阻（續(xù)）按照光譜特性及最佳工作波長范圍，分為三類：對紫外光靈敏的光敏電阻硫化鎘和硒化鎘等對可見光靈敏的光敏電阻硒化鎘、硫化鎘和硫化鉈等對紅外光靈敏的光敏電阻