半導(dǎo)體光效應(yīng)

1、半導(dǎo)體光效應(yīng)第1頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時,材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。主要有本征光電導(dǎo)與非本征光電導(dǎo)。下面討論本征光電導(dǎo)： 本征半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)圖討論光電探測器的一般步驟：定性分析：工作原理定量計算：性能分析：靈敏度，光譜響應(yīng)特性，線性關(guān)系等第2頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)入射光功率為為常數(shù)時：用來產(chǎn)生光電效應(yīng)的光功率:產(chǎn)生非平衡載流子的光子數(shù)：產(chǎn)生非平衡載流子的濃度：在穩(wěn)定光照下，光生載流子不斷產(chǎn)生，同時

2、也不斷復(fù)合。在穩(wěn)定時光生載流子的濃度為：光電導(dǎo)為：暗電導(dǎo)為：第3頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)那么它的短路光電流密度為：產(chǎn)生的短路光電流：光電導(dǎo)的響應(yīng)時間：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。考察其瞬態(tài)過程：第4頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)積分得到： 矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時：頻率響應(yīng)： 正弦光照弛豫過程圖第5頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)光譜響應(yīng)：探測器的輸出與輸入光波長的關(guān)系注意條件：

3、理想情況實際情況第6頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)簡稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生機制：光生載流子的濃度梯度光電磁效應(yīng)勢壘效應(yīng)（PN結(jié)）第7頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光生伏特效應(yīng)PN結(jié)光伏效應(yīng)半導(dǎo)體的PN結(jié)P型N型P型N型EfpEfnEf能級彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費米能級能級是相對于電子來說的，在經(jīng)過PN結(jié)時電場力做功， 電勢能降低第8頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二P-N結(jié)光伏效應(yīng)NNPVIsIdI二極管的伏

4、安特性電流：那么流過PN結(jié)的電流為：第9頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光伏效應(yīng)vId它的供電電流為：二極管伏安特性vI光敏二極管伏安特性短路電流為：開路電壓：說明：第三象限為光電流區(qū) 第四象限為光電池區(qū) 第一象限不利用 第10頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。外光電效應(yīng)的兩個基本定律：1光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律： 當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時， 飽和光電流（

5、即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與 入射 光強度成正比： 2. 光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律 光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光強 度無關(guān)： Emax=(1/2)m2max=h- h0=h- W第11頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光電發(fā)射效應(yīng)表面勢壘：金屬表面形成的偶電層使表面電位突變。EE0Ef金屬表面勢壘光電發(fā)射大致可分三個過程： 1)金屬的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級的激發(fā)態(tài)。 2)受激電子從受激地點出發(fā)，在向表面運動過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。 3)達到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢壘對

6、電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。E0WEf第12頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二半導(dǎo)體光電反射半導(dǎo)體的光電發(fā)射逸出供為：E0EcEfEgWEA（其中EA為電子親和勢）半導(dǎo)體光電發(fā)射注意：在光電效應(yīng)里面：包括內(nèi)電光與外電光 效應(yīng)，都存在著一個閥值波長問題第13頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器的噪聲一般光電系統(tǒng)的噪聲：目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)探測器前放信號處理顯示光子噪聲探測噪聲處理電路噪聲光子噪聲： 信號輻射產(chǎn)生的噪聲與背景噪聲探測器噪聲：熱噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生與復(fù)合 噪聲， 溫度噪聲，1/f噪聲第14頁，共34頁，2022年，5月20日，1點

7、37分，星期二探測器的噪聲噪聲的分類：隨機的噪聲，其功率與頻率無關(guān)（白噪聲） 與頻率有關(guān)的1/f噪聲1/f噪聲白噪聲fS(f)噪聲的主導(dǎo)地位：在低頻時， 1/f噪聲起主導(dǎo)作用在中頻時，產(chǎn)生復(fù)合噪聲起主導(dǎo)作用在高頻時，白噪聲起主導(dǎo)作用噪聲的克服第15頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二等效噪聲帶寬fffAmN(f)A(f)若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡(luò)的功率增益為A(f),功率增益的最大值為Am,則噪聲帶寬為：說明：噪聲均方電流或均方電壓時，用此等效帶寬。第16頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器的主要參數(shù)響應(yīng)率（積分靈敏度）或光譜響應(yīng)率或第17頁，共3

8、4頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器的主要參數(shù)等效噪聲功率與探測率它反映了能探測到的最小光功率響應(yīng)時間：第18頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二關(guān)于響應(yīng)時間積分得到： 矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時：頻率響應(yīng)： 正弦光照弛豫過程圖第19頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二線性線性：指探測器的輸出光電流或光電壓與入射光功 率的 成比例的程度，其與工作狀態(tài)有關(guān)vI光敏二極管伏安特性RPN在作線性光電池時，R的取值問題第20頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器主要參數(shù)的測試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)探測器法：通

9、過比較被測探測器與標(biāo)準(zhǔn)探測器在每一波長上的響應(yīng)，來確定被測探測器的光譜響應(yīng)函數(shù)分束器顯示顯示光源聚光鏡單色儀參考探測器放大放大標(biāo)準(zhǔn)或被測系統(tǒng)的構(gòu)思，參考探測器的作用，標(biāo)準(zhǔn)探測器的作用第21頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器主要參數(shù)的測試響應(yīng)率的測試（積分靈敏度）探測器的響應(yīng)率：放大電表示波器鎖相探測器限光屏斬光器輻射源電機輸出抗干擾方法: 調(diào)制第22頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二探測器主要參數(shù)的測試線性的測試顯示探測器光源導(dǎo)軌L在上圖中入射到探測器的輻射通量與距離的平方成反比，因此，可以通過改變距離的方式來改變輻射通量。畫出響應(yīng)函數(shù)與距離平

10、方倒數(shù)的關(guān)系曲線，即可求出探測器的線性范圍。第23頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)輻射度的基本物理量輻射能：輻射通量：輻射強度：輻射出射度： 輻射照度：輻射亮度：光譜輻射量：第24頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光譜光視效率 光譜光視效率V()曲線 圖中實線為在視場較亮?xí)r測得的，稱為明視覺V()曲線；虛線為在視場較暗時測得的，稱為暗視覺V()曲線根據(jù)對許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計出各種波長的平均相對靈敏度。列于下表： 明暗視覺的分界:3cd/m2明視覺的最大值為555nm明視覺的最大值

11、為507nm第25頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光度學(xué)(Photometry)光度學(xué)研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量。以人的視覺習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。光度量與輻射度量的關(guān)系輻射度光度學(xué)人眼第26頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光度學(xué)(Photometry)輻射度量與光度量的一一對應(yīng)關(guān)系：（參見書本的的第4頁）注意的是： 探測器的的性能參數(shù)可能用不同的單位來量， 但其本質(zhì)是一致的。加深理解：參見課后練習(xí)（11).第27頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)制成的光

12、電探測器件。其最典型的器件是光明電阻。光明電阻的特點：光譜響應(yīng)范圍寬工作電流大所測的光強范圍廣靈敏度高偏置電壓低，無極性之分不足之處是：在強光下線性較差，光電馳豫過程較長，頻率響應(yīng)低。第28頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光明電阻光明電阻的工作原理：注意本征光電導(dǎo)與雜質(zhì)光電導(dǎo)的聯(lián)系與區(qū)別：對于雜質(zhì)光電導(dǎo)一般采用N型光電導(dǎo)材料光明電阻的主要特性參數(shù)：光電導(dǎo)增益 由光照形成的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流之間的比值：參見書本：（表示單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)）內(nèi)部電流：qN 外部光電流為：故增益為：第29頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光明電阻光電導(dǎo)與光伏探測器的區(qū)別：光電導(dǎo)：光照產(chǎn)生非平衡載流子以致改變材料的電導(dǎo)率，不會產(chǎn)生光電流，要產(chǎn)生電流必須外加電場。光伏：同樣產(chǎn)生非平衡載流子，但內(nèi)部存在一種分開機制，使得電子與空穴分離而形成光電流，不需要外加電壓。在光敏二級管時要加電壓，作用？NNPVIsIdI第30頁，共34頁，2022年，5月20日，1點37分，星期二光明電阻光譜響應(yīng)率時間常數(shù)線性前歷效應(yīng)溫度特性常用的光明電阻：了解各種光明電阻的特性，用途