半導體的光電效應

關于半導體的光電效應第1頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電導效應光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應。當光照射到半導體材料時,材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。主要有本征光電導與非本征光電導。下面討論本征光電導：

本征半導體光電導效應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，光譜響應特性，線性關系等第2頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電導效應當入射光功率為為常數(shù)時：用來產(chǎn)生光電效應的光功率: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，同時也不斷復合。在穩(wěn)定時光生載流子的濃度為：光電導為：暗電導為：第3頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電導效應那么它的短路光電流密度為：產(chǎn)生的短路光電流：光電導的響應時間：光電導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?？疾炱渌矐B(tài)過程：第4頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電導效應積分得到：

矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時：頻率響應：

正弦光照弛豫過程圖第5頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電導效應光譜響應：探測器的輸出與輸入光波長的關系注意條件：理想情況實際情況第6頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光生伏特效應光生伏特效應簡稱為光伏效應，指光照使不均勻半導體或半導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勢壘效應（PN結）第7頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光生伏特效應PN結光伏效應半導體的PN結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結時電場力做功，電勢能降低第8頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三P-N結光伏效應NNPVIsIdI二極管的伏安特性電流：＋－那么流過PN結的電流為：第9頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光伏效應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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電發(fā)射效應金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量hν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。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎。外光電效應的兩個基本定律：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（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：

Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W第11頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光電發(fā)射效應表面勢壘：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電子的束縛（即逸出功）時，即可從表面逸出。E0WEf第12頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三半導體光電反射半導體的光電發(fā)射逸出供為：E0EcEfEgWEA（其中EA為電子親和勢）半導體光電發(fā)射注意：在光電效應里面：包括內(nèi)電光與外電光效應，都存在著一個閥值波長問題第13頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器的噪聲一般光電系統(tǒng)的噪聲：目標光學系統(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)生與復合噪聲，溫度噪聲，1/f噪聲第14頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器的噪聲噪聲的分類：隨機的噪聲，其功率與頻率無關（白噪聲）與頻率有關的1/f噪聲1/f噪聲白噪聲fS(f)噪聲的主導地位：在低頻時，

1/f噪聲起主導作用在中頻時，產(chǎn)生復合噪聲起主導作用在高頻時，白噪聲起主導作用噪聲的克服第15頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三等效噪聲帶寬fff

AmN(f)A(f)若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡的功率增益為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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器的主要參數(shù)響應率（積分靈敏度）或光譜響應率或第17頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器的主要參數(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時間：第18頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三關于響應時間積分得到：

矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時：頻率響應：

正弦光照弛豫過程圖第19頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三線性線性：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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器主要參數(shù)的測試光譜響應率函數(shù)的測試標準探測器法：通過比較被測探測器與標準探測器在每一波長上的響應，來確定被測探測器的光譜響應函數(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準或被測系統(tǒng)的構思，參考探測器的作用，標準探測器的作用第21頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器主要參數(shù)的測試響應率的測試（積分靈敏度）探測器的響應率：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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三探測器主要參數(shù)的測試線性的測試顯示探測器光源導軌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。畫出響應函數(shù)與距離平方倒數(shù)的關系曲線，即可求出探測器的線性范圍。第23頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光度學(Photometry)與輻射度學(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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光譜光視效率

光譜光視效率V(λ)曲線

圖中實線為在視場較亮時測得的，稱為明視覺V(λ)曲線；虛線為在視場較暗時測得的，稱為暗視覺V(λ)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明視覺的最大值為507nm第25頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光度學(Photometry)光度學研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量。以人的視覺習慣為基礎建立。光度量與輻射度量的關系輻射度光度學人眼第26頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光度學(Photometry)輻射度量與光度量的一一對應關系：（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（1—1).第27頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三半導體光電器件半導體光電導器件是利用半導體材料的光電效應制成的光電探測器件。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，頻率響應低。第28頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光明電阻光明電阻的工作原理：注意本征光電導與雜質(zhì)光電導的聯(lián)系與區(qū)別：對于雜質(zhì)光電導一般采用N型光電導材料光明電阻的主要特性參數(shù)：光電導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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光明電阻光電導與光伏探測器的區(qū)別：光電導：光照產(chǎn)生非平衡載流子以致改變材料的電導率，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，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三光明電阻光譜響應率時間常數(shù)線性前歷效應溫度特性常用的光明電阻：了解各種光明電阻的