光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1、光電檢測(cè)技術(shù),教材： 雷玉堂編，光電檢測(cè)技術(shù)，中國計(jì)量出版社 參考教材： 光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用 郭培源 北京航空航天大學(xué)出版社 光電信號(hào)檢測(cè) 吳杰 哈爾濱工業(yè)出版社 光電檢測(cè)技術(shù) 高稚允 國防工業(yè)出版社,2,人類通過自身的感覺器官從外界獲取信息,3,再次認(rèn)識(shí)人眼,高靈敏度：光的輻射通量2*10-172*10-5W 高分辨力 P2 對(duì)不同波長(zhǎng)光靈敏度不同：存在明暗視見函數(shù) 0.1s的視覺暫留時(shí)間和50ms的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,4,材料的檢測(cè)與控制技術(shù),4/60,5,五官與傳感器,6,狹義：“光電子材料”替代“人眼”,7,各種光電傳感器：,8,第一章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),1.1 輻射度量和光度量 1.2 半

2、導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 1.3 光電效應(yīng),9,1.1 輻射度量和光度量,一、光的基本性質(zhì) 光的微粒流學(xué)說 牛頓，17世紀(jì):反射、折射 光的波動(dòng)學(xué)說:電磁波 惠更斯，楊氏，麥克斯韋（1860）：干涉、衍射、偏振 光的波粒二象性 電磁波(光傳播時(shí))：干涉、衍射、偏振、反射、折射 光子流 (與物質(zhì)作用)：發(fā)射、吸收、色散、散射,10,11,光的基本特性 光譜范圍：1pm1mm，波長(zhǎng)短 可見光波長(zhǎng)：380nm780nm 真空中光速: 光在媒質(zhì)中傳播速度: v=/n 光子能量：E= h 光子動(dòng)量：p = h/c = h/ 普朗克常數(shù):,一、光的基本性質(zhì),1.1 輻射度量和光度量,12,二、光輻射度量,1.1 輻射

3、度量和光度量,13,三、光譜輻射度量：光譜分布,1.1 輻射度量和光度量,14,四、光度量：可見光,根據(jù)人眼的視覺強(qiáng)度來定義 能量相同而波長(zhǎng)不同的光引起人眼的視覺強(qiáng)度不同 光譜光視效率（視見函數(shù)）V() 國際照明委員會(huì)CIE定義 明視覺時(shí)：555nm處最大，V（）=1 明視覺：白天正常光照 暗視覺：夜間弱光照射,15,1.1 輻射度量和光度量,16,1.輻射度學(xué),對(duì)各種電磁輻射進(jìn)行定量評(píng)價(jià),工具：光接收器件,結(jié)果：,與光能量相關(guān)的各種物理量,評(píng)價(jià)對(duì)象：電磁輻射,2.光度學(xué),工具：人眼,對(duì)象：可見光輻射,對(duì)可見輻射作用于人眼所引起的“光”感覺進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，是一種生理效應(yīng),用下標(biāo)(e),無（e）下

4、標(biāo)或用下標(biāo)(v),輻射度學(xué)和光度學(xué)物理量的定義比較,17,1. 輻射功率（輻射通量）,對(duì)于輻射源說-單位時(shí)間內(nèi)向空間各個(gè)方向發(fā)射的總能量。,單位：W（瓦特）,對(duì)于電磁波的傳播-單位時(shí)間通過某一截面的電磁波能量,對(duì)于電磁波的接收-單位時(shí)間內(nèi)某一截面接收到的電磁能,如果是多波長(zhǎng)輻射，則有：,光譜功率譜密度,輻射度學(xué)基本物理量,18,點(diǎn)光源: 在某一方向上，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量（描述輻射體在不同方向上的輻射特性）。,2、輻射強(qiáng)度,單位：,向空間各個(gè)方向輻射均勻的點(diǎn)光源：,如果輻射是多波長(zhǎng)的電磁波則：,如果輻射不均勻，則方向上的輻射強(qiáng)度，可表示為：,19,3、輻射亮度,單位：,-表征發(fā)光面發(fā)光

5、強(qiáng)弱并與發(fā)光面特性有關(guān)的物理量。 面元dS 在方向的光亮度定義為： 此面元在方向d體積角內(nèi)的的輻射通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cos(dS) 。,如果是多波長(zhǎng)輻射則：,如果輻射不均勻，則方向上的輻亮度，可表示為：,20,4、輻射出射度,- 光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來描述輻射體表面不同位置的輻射特性。,單位：W/m2,- 受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。,5、輻照度,單位：W/m2,同樣有：,同樣有：,21,光度學(xué)基本物理量,（一）光度學(xué)量和輻射度學(xué)量的關(guān)系,1. 光

6、譜靈敏度K 及 視見函數(shù)V,相同,波長(zhǎng)（）不同,產(chǎn)生對(duì)人眼不同的刺激程度,人眼對(duì)光的感受是光波長(zhǎng)的函數(shù),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光譜光量(人眼) 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光量(人眼),(1)光譜靈敏度,22,定義: 視見函數(shù),(2)視見函數(shù),23,24,（二）光度學(xué)量,25,26,-面元dS在方向d體積角內(nèi)的的光通量dv 除立體角的大小d 和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cos(dS)。,3、光亮度,單位：,輻射亮度,-面元dS在方向d體積角內(nèi)的的輻通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測(cè)方向上的表觀面積cos(dS)。,2,2,27,4、光出射度,- 光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的

7、光量（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的光通量。,單位：lm/m2,輻射出射度,- 光源單位時(shí)間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。,單位：W/m2,28,- 受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的光量，或單位表面積接受的光通量。,5、（光）照度,單位：lm/m2,- 受照面上單位時(shí)間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。,輻照度,單位：W/m2,(lx 勒克斯）,29,其它基本概念,1. 點(diǎn)源,某面元上的照度與面元到光源的距離的平方成反比-平方反比定律 同時(shí)也與面源的方向有關(guān),I,對(duì)于沿各方向勻均輻射的點(diǎn)源,點(diǎn)源對(duì)面的（光）照度-（與強(qiáng)度的

8、關(guān)系）,總光通量為：,30,2. 擴(kuò)展源-有一定面積的輻射源,朗伯源 或稱為 余弦輻射體,向空間各個(gè)方向的輻射亮度相同，理想化的擴(kuò)展源,發(fā)光強(qiáng)度I 與方向角滿足余弦定律的發(fā)光體。大部分發(fā)光體都有此性質(zhì),常數(shù),31,根據(jù)輻射出射度的定義,根據(jù)亮度的定義,可證：,32,3. 漫反射面,-把入射光向各個(gè)方向均勻的散射的各種表面,設(shè)某一漫反射面dS所受的光照度為E，則此面接收到的光通量為：,設(shè)此反射面的反射系數(shù)為K，則它反射的光通量為：,透明漫反射體亮度減半,33,4. 定向輻射體,-光線的發(fā)射方向比較集中,如：激光器,太陽的輻射亮度只有3*108W/(sr.m2),34,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),電阻

9、率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。 一、半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體特性 電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對(duì)溫度變化敏感。 導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界作用的影響而發(fā)生顯著的變化。 常見半導(dǎo)體材料有： 元素半導(dǎo)體：硅、鍺、硒 化合物半導(dǎo)體：GaAs、鋁砷化鎵、InSb,CdS,PbS 氧化亞銅的氧化物：砷化鎵磷化鎵固熔半導(dǎo)體 有機(jī)半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體、稀土半導(dǎo)體 半導(dǎo)體器件:利用半導(dǎo)體的特殊電學(xué)特性制成的器件,35,二、能帶理論,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),原子中電子的能級(jí) 原子由帶正電的原子核與一些帶負(fù)電的電子組成 電子繞核運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量 能

10、級(jí)：電子運(yùn)動(dòng)的每一量子態(tài)所具有的確定能量稱為能級(jí)。 原子中的電子沒有完全確定的軌道 泡利不相容原理： 在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子,36,晶體中電子的能帶 晶體：原子（粒子）以一定的周期重復(fù)排列所構(gòu)成的物體 晶體中電子的共有化：原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的電子軌道發(fā)生交疊，使電子不再屬于某個(gè)原子，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子及更遠(yuǎn)的原子殼層上去，成為整個(gè)晶體所共有 電子只能在能量相同的量子態(tài)之間轉(zhuǎn)移 N個(gè)原子排列成晶體時(shí)，原來分屬于N個(gè)原子的相同能級(jí)必須對(duì)應(yīng)分裂成屬于整個(gè)晶體的N個(gè)能量稍有差別的能級(jí) 能帶：與此相對(duì)應(yīng)的能量密集的能級(jí)稱為能帶。,37,二、能帶理論,1.2

11、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),38,原子的能限和結(jié)晶格中的能帶之比較,圖1.1.1-3導(dǎo)體內(nèi)的能帶,半導(dǎo)體內(nèi)的能帶,外加電場(chǎng)時(shí)，非滿帶形成電流；而嚴(yán)格滿帶不產(chǎn)生電流。 半導(dǎo)體在有限溫度時(shí)，理論的嚴(yán)格滿帶會(huì)變得不滿。,39,二、能帶理論,價(jià)帶中的空穴,導(dǎo)帶中的電子,3. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 電流：電場(chǎng)作用電子的定向運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)電條件: 1)向電子提供能量; 2)電子要躍入的能級(jí)是空的 價(jià)帶中的電子離開所留空位稱為空穴 電子和空穴統(tǒng)稱為載流子 外加電場(chǎng)時(shí)，非滿帶載流子在無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)中迭加了定向運(yùn)動(dòng)，形成電流；而滿帶不產(chǎn)生電流。 導(dǎo)帶中電子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)； 價(jià)帶中空穴越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng),為什么半導(dǎo)體在有限溫度時(shí)，理

12、論的嚴(yán)格滿帶會(huì)變得不滿，導(dǎo)帶的電子及價(jià)帶的空穴如何產(chǎn)生：分兩種情況討論（本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體）。,40,3. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 本征半導(dǎo)體 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 本征激發(fā)：電子由價(jià)帶直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶 本征半導(dǎo)體的載流子只能依靠本征激發(fā)產(chǎn)生 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴相等,二、能帶理論,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),價(jià)帶,導(dǎo)帶,禁帶,本征激發(fā)（熱或者光等外界因素）,常溫下,不導(dǎo)電,弱導(dǎo)電性,41,3. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 雜質(zhì)半導(dǎo)體： 半導(dǎo)體中人為地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)形成摻雜半導(dǎo)體，雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大（晶體的缺陷也有類似效果）。 雜質(zhì)能級(jí)和晶體中其它能級(jí)不同，可處于晶體能帶間的禁帶中

13、（對(duì)導(dǎo)電性影響巨大） N型半導(dǎo)體：主要由電子導(dǎo)電（此時(shí)電子又稱為多子） 在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入五價(jià)原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導(dǎo)體，電子為多數(shù)載流子 通常，施主能級(jí)離導(dǎo)帶底較近，導(dǎo)帶中電子多于價(jià)帶中空穴 P型半導(dǎo)體：主要由空穴導(dǎo)電（此時(shí)空穴被稱為多子） 在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入三價(jià)原子，例如硼（B），形成P型半導(dǎo)體，空穴為少數(shù)載流子 受主能級(jí)離價(jià)帶頂較近，價(jià)帶中空穴多于導(dǎo)帶中電子,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),42,常溫下,43,價(jià)帶,導(dǎo)帶,雜質(zhì)能級(jí),低溫下,雜質(zhì)激發(fā)+本征激發(fā),44,三、熱平衡載流子,在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)

14、產(chǎn)生的。載流子的激發(fā)和復(fù)合（電子找到空穴相互抵消）兩種過程處于熱平衡狀態(tài)，載流子濃度為某一穩(wěn)定值。,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),本征半導(dǎo)體中的載流子,開始時(shí)：激發(fā)復(fù)合,一段時(shí)間后：激發(fā)=復(fù)合,（載流子濃度增大）,（載流子濃度穩(wěn)定）,設(shè)由低溫到高溫的過程,45,三、熱平衡載流子,根據(jù)量子理論和泡利不相容原理，能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率f(E)由費(fèi)米-狄拉克函數(shù)給出，即 導(dǎo)帶電子濃度n和價(jià)帶空穴濃度p,f(E)：費(fèi)米分布函數(shù)，能量E的概率函數(shù) k：波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K T：絕對(duì)溫度 EF：費(fèi)米能級(jí)（一般認(rèn)為：低于費(fèi)米能級(jí)處滿帶）,1.2 半導(dǎo)體物理基

15、礎(chǔ),N_：導(dǎo)帶的有效能級(jí)密度 N+：價(jià)帶的有效能級(jí)密度 E_：導(dǎo)帶底 E+：價(jià)帶頂,46,本征半導(dǎo)體中，電子和空穴濃度相等，即n=p, 本征載流子濃度為一恒定值 式中Eg=E_-E+為禁帶寬度，說明熱平衡時(shí)兩種載流子濃度的乘積等于一個(gè)常數(shù)（雜質(zhì)半導(dǎo)體中乘積滿足相同常數(shù)）。 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)（基本位于禁帶中央）,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),三、熱平衡載流子,雜質(zhì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí) N型位于施主能級(jí)和導(dǎo)帶底的正中間（近似填滿） P型位于受主能級(jí)和價(jià)帶底的正中間（近似空帶） 溫度升高時(shí)逐漸向本征費(fèi)米能級(jí)靠近（雜質(zhì)對(duì)低溫導(dǎo)電影響大）,47,熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體內(nèi)部電子和空穴的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，系統(tǒng)保持相對(duì)平

16、衡狀態(tài) 半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場(chǎng)作用、溫度變化）時(shí)，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非熱平衡態(tài)。 非熱平衡時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶中電子和空穴的濃度為 n=n0+ n p=p0+ p 保持外界條件不變，系統(tǒng)將逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)，載流子濃度增加。撤掉外界條件，系統(tǒng)又將恢復(fù)原來的平衡狀態(tài),四、非平衡載流子,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),48,四、非平衡載流子,描述復(fù)合的參數(shù)-壽命 使非平衡載流子濃度增加的運(yùn)動(dòng)稱為產(chǎn)生 使非平衡載流子濃度減少的運(yùn)動(dòng)稱為復(fù)合 復(fù)合率：=n/(或p/) 非平衡載流子壽命（P32） 它表征復(fù)合的強(qiáng)弱，小表示復(fù)合快，大表示復(fù)合慢 非平衡載流子的衰減隨時(shí)間的變化關(guān)

17、系 它決定了光電器件的時(shí)間特性 非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),49,四、非平衡載流子,非平衡載流子的復(fù)合方式（P33圖2-13） 直接復(fù)合： 導(dǎo)帶中電子直接跳到價(jià)帶，與價(jià)帶中空穴復(fù)合。 間接復(fù)合：通過復(fù)合中心復(fù)合 復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)（深能級(jí)雜志）及缺陷 間接復(fù)合：電子從導(dǎo)帶落入到復(fù)合中心稱電子俘獲；電子從復(fù)合中心落入價(jià)帶稱空穴俘獲；。 體內(nèi)復(fù)合與表面復(fù)合： 材料表面在研磨、拋光時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),雜質(zhì)除了改變載流子，提供復(fù)合中心，還可以充當(dāng)陷阱，積累載流子（形式上

18、與施主、受主作用相反）。,50,陷阱效應(yīng) 半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)上的電子數(shù)會(huì)因某種原因增加或減少,形成累積非平衡載流子的作用就叫陷阱作用 所有雜質(zhì)均有一定的陷阱作用，但有顯著陷阱作用的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱 顯著陷阱作用的條件 俘獲電子和空穴的能力差別大（稱作電子陷阱或空穴陷阱） 陷阱對(duì)少子作用更明顯（寬禁帶、低溫），對(duì)于多數(shù)載流子，除非陷阱密度較大到可與多子相比擬時(shí)，陷阱效應(yīng)才不能忽略 雜質(zhì)能級(jí)的位置：如對(duì)于電子陷阱，雜質(zhì)能級(jí)得在費(fèi)米能級(jí)之上較深的位置（有空位，且熱激發(fā)盡量弱），即能夠盡量與費(fèi)米能級(jí)重合,陷阱效應(yīng)最顯著（空穴陷阱類似也得盡可能與費(fèi)米能級(jí)重合） 陷阱效應(yīng)影響半導(dǎo)體的性質(zhì):壽命,靈敏度等（如少子

19、陷阱，增加了多子的壽命，提高定態(tài)光電導(dǎo)靈敏度；多子陷阱，減少多子數(shù)目，減弱定態(tài)光電導(dǎo)靈敏度。）,四、非平衡載流子,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),51,五、載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散和漂移,1.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):高濃度 低濃度 載流子濃度不均勻情況下的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 擴(kuò)散流與濃度梯度成正比 2.漂移運(yùn)動(dòng):外電場(chǎng)驅(qū)使 載流子在電場(chǎng)的加速作用下，除熱運(yùn)動(dòng)之外獲得的附加運(yùn)動(dòng) 忽略擴(kuò)散，漂移+散射平均漂移速度: 3.混合運(yùn)動(dòng):擴(kuò)散+漂移 擴(kuò)散系數(shù)與遷移率關(guān)系（適用平衡及非平衡情況，一般情況漂移電流多子貢獻(xiàn)，擴(kuò)散電流少子貢獻(xiàn)）,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),52,1.本征吸收(吸收系數(shù)105，發(fā)生在微米量級(jí)的表面層內(nèi)，表面狀態(tài)影

20、響大) 光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 入射光子能量大于禁帶寬度時(shí)(hEg)才能發(fā)生本征吸收 長(zhǎng)波限0：0 =ch/Eg=1.24/Eg(m) 2.雜質(zhì)吸收 雜質(zhì)能級(jí)中的電子與空穴吸收光子后躍遷 雜質(zhì)電子吸收光子，會(huì)從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶；價(jià)帶電子吸收光子，會(huì)從價(jià)帶能級(jí)躍入雜質(zhì)能級(jí) 長(zhǎng)波限0：0 =ch/Ei=1.24/Ei(m) 出現(xiàn)在本征吸收限外的長(zhǎng)波區(qū),六、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),53,3.自由載流子吸收 自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷 吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系（吸收光譜）： 光子牽引效應(yīng)（外加動(dòng)量的傳遞，光生伏特效應(yīng)） 4.激子吸收 吸收光子形成可動(dòng)的電子-空穴對(duì)

21、(激子)，整體自由運(yùn)動(dòng)、電中性 激子能量小于電子，能級(jí)處于禁帶中（長(zhǎng)波限的長(zhǎng)波側(cè)形成尖銳的吸收線） 5.晶格吸收 光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動(dòng) 晶格原子振動(dòng)能量的變化為h的整數(shù)倍（光譜范圍與晶格振動(dòng)頻率在一個(gè)數(shù)量級(jí)）,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),54,七、PN結(jié)及金屬與半導(dǎo)體的接觸,半導(dǎo)體:P型、N型、本征型(i型) 合而成結(jié)（過渡區(qū)）：Pi結(jié)、Ni結(jié)、PN結(jié) .結(jié)原理 對(duì)半導(dǎo)體分別摻P型和N型雜質(zhì),形成從P型區(qū)到N型區(qū)之間的過渡區(qū)稱為PN結(jié) 擴(kuò)散形成內(nèi)建電場(chǎng)(微米量級(jí)，強(qiáng)電場(chǎng)) 熱平衡下的PN結(jié) 內(nèi)建電勢(shì) 正向?qū)щ娦?平衡過程將兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)拉平（兩種理解：經(jīng)典擴(kuò)散理論或量子論化學(xué)勢(shì)角度）,1.2

22、 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),55,勢(shì)壘形成及外場(chǎng)作用,56,p-n結(jié)單向?qū)щ姷脑蛟谟冢河捎诮Y(jié)區(qū)中載流子濃度很低，是高阻區(qū)，如果加上正向偏壓V，V使P區(qū)電勢(shì)升高，則勢(shì)壘降低，電子不斷從n區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，空穴也不斷從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，由于是多子運(yùn)動(dòng)，所以隨外加電壓的增加。擴(kuò)散電流顯著增加；反之施加反向偏壓-V時(shí)，外加電場(chǎng)與自建電場(chǎng)一致，使勢(shì)壘升高，由于是少子運(yùn)動(dòng)，所以反向電流很小，且不隨反向電場(chǎng)的增大而增加。,57,非平衡態(tài)下的PN結(jié) 電子、空穴濃度積： 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 平衡時(shí)，V=0， PN結(jié)加正向電壓（或光照）時(shí)，V0，增加的載流子形成正向電流（勢(shì)壘VD降為VD-V） PN結(jié)加反向電壓時(shí)，V0，減少的載流子形

23、成反向電流（提高勢(shì)壘，易飽和） PN結(jié)伏安特性公式（純擴(kuò)散）,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),指數(shù)關(guān)系,58,七、PN結(jié)及金屬與半導(dǎo)體的接觸,2.半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 禁帶寬度不同的兩種不同質(zhì)半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié) 兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié) 金屬、絕緣體與半導(dǎo)體構(gòu)成的結(jié) Anderson假設(shè) 晶格完全匹配：晶格結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)相同 具有不同的禁帶寬度、介電常數(shù)、功函數(shù)（費(fèi)米能級(jí)到真空能級(jí)差）、電子親和能（導(dǎo)帶到真空能級(jí)差） 異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu) 晶格失配系數(shù)1% 內(nèi)建電場(chǎng)為兩種材料兩個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)電壓之和 異質(zhì)結(jié)的電流-電壓特性：指數(shù)規(guī)律,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),阻止電子擴(kuò)散的勢(shì)壘遠(yuǎn)比阻止空穴的勢(shì)壘?。?/p>

24、空穴擴(kuò)散忽略，僅考慮正反向電子電流，且有V1V2）,59,七、PN結(jié)及金屬與半導(dǎo)體的接觸,3.肖特基勢(shì)壘 金屬與半導(dǎo)體接觸界面耗盡層勢(shì)壘 阻擋接觸（理解右圖） 金屬與N型(a):耗盡層 金屬與P型(b):空穴勢(shì)壘 加正向偏壓(c) (d) 加反向偏壓(e) (f) 電流-電壓關(guān)系 電流是多數(shù)載流子越過勢(shì)壘的熱離子發(fā)射產(chǎn)生的,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),與PN結(jié)完全類似的指數(shù)關(guān)系 （正向偏置：使勢(shì)壘降低，注意金屬端的極性）,N,P,注意：輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中要避免肖特基接觸！,60,4.注入接觸（I-V超線性關(guān)系）與歐姆接觸（線性關(guān)系） 金屬與N型半導(dǎo)體的接觸(a) 金屬的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體 電子由金屬注入半

25、導(dǎo)體,構(gòu)成負(fù)空間電荷區(qū) 金屬與P型半導(dǎo)體的接觸(b) 半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)高于金屬 電子由半導(dǎo)體注入金屬,構(gòu)成正空間電荷區(qū) 注入接觸:空間電荷區(qū) 歐姆接觸:金屬與半導(dǎo)體逸出功相同,無電荷轉(zhuǎn)移,1.2 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ),61,1.3 光電效應(yīng),光電效應(yīng)：因光照而引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象 發(fā)射電子、導(dǎo)電率變化、產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì) 外光電效應(yīng)（金屬及金屬氧化物）:光電管、光電倍增管 受光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象 內(nèi)光電效應(yīng)（半導(dǎo)體及絕緣體） 光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)逸出物質(zhì)外部 光電導(dǎo)效應(yīng):光照后載流子顯著增加而電阻減小 光生伏特效應(yīng):光照時(shí)在半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì),62,硫化物、氧化物、鹵化

26、物 光照時(shí)電阻減少 本征光電導(dǎo) 光照使電子獲得足夠能量越過禁帶而躍入導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量光生載流子參與導(dǎo)電 長(zhǎng)波閥值：0=1.44/Eg 雜質(zhì)光電導(dǎo) P、N型半導(dǎo)體 雜質(zhì)光電導(dǎo)比本征光電導(dǎo)微弱（雜質(zhì)原子少） 描述參數(shù)： 1.靈敏度 2.弛豫時(shí)間 3.光譜分布,一、光電導(dǎo)效應(yīng),1.3 光電效應(yīng),63,一、光電導(dǎo)效應(yīng),1.光電導(dǎo)體的靈敏度 給定條件下,單位照度所引起的光電流 用光電增益G表示：,，電場(chǎng)強(qiáng)度 ，遷移率：載流子在單位電場(chǎng)作用下的漂移速度 l,光電導(dǎo)體兩極間距 U，外加電源電壓 與非平衡載流子壽命、遷移率成正比,與電極間距平方成反比 若電子空穴都參與導(dǎo)電,，量了產(chǎn)額(量子效率)：吸收一個(gè)光子所

27、產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù) ，光生載流子壽命 tL，載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間,64,一、光電導(dǎo)效應(yīng),2.光電導(dǎo)的弛豫（光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合不是瞬時(shí)完成） 光照后光電導(dǎo)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間 弛豫時(shí)間長(zhǎng)，慣性大；弛豫時(shí)間短，則慣性小 光生載流子濃度（與光電導(dǎo)增量成正比）與光強(qiáng)的關(guān)系： 直線性光電導(dǎo)（定態(tài) ） 定態(tài)情形（光持續(xù)穩(wěn)定或持續(xù)沒有，即平衡態(tài)，此時(shí)復(fù)合率等于產(chǎn)生率）： 非定態(tài)情形（1）：剛開始光照時(shí) 非定態(tài)情形（2）：剛結(jié)束光照：,1.3 光電效應(yīng),65,拋物線性光電導(dǎo)（定態(tài) ） 假設(shè)：復(fù)合率與光生載流子密度的平方成正比，即=b(n)(n) 定態(tài)條件： 光生載流子密度及電導(dǎo)率增量與光強(qiáng)平方根

28、近似成正比； 光電流隨時(shí)間按雙曲線性規(guī)律下降 光強(qiáng)越高，拋物線性光電導(dǎo) 的弛豫時(shí)間越短 慣性?。ǔ谠r(shí)間小），定態(tài) 靈敏度低；定態(tài)靈敏度高，慣性大,1.3 光電效應(yīng),考慮非定態(tài)情形：,66,一、光電導(dǎo)效應(yīng),3.光電導(dǎo)的光譜分布： 光電導(dǎo)的大小與照射光的波長(zhǎng)有關(guān) 本征光電導(dǎo)的光譜分布 不同的半導(dǎo)體材料有不同的光譜響應(yīng)曲線 光譜分布有一長(zhǎng)波限（曲線峰值左右不對(duì)稱的解釋P46） 雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜分布 雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)的長(zhǎng)（電離能小） 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)微弱（雜質(zhì)少） 雜質(zhì)光電導(dǎo)的測(cè)量是研究雜質(zhì)能級(jí)的重要方法（低溫條件下）,1.3 光電效應(yīng),67,二、光生伏特效應(yīng),光照使半導(dǎo)體中光生電

29、子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象 內(nèi)建電場(chǎng)(勢(shì)壘效應(yīng)) PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘都存在內(nèi)建電場(chǎng) 光照時(shí)接觸界面起了電池作用 結(jié)上光電壓與光電流關(guān)系,1.3 光電效應(yīng),a)無光照時(shí)，NP型半導(dǎo)體有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為qUD=EFN-EFP。 b)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，勢(shì)壘高度為q(UD-Uoc)。 c)穩(wěn)定光照下P-N結(jié)短路，P-N結(jié)兩端無光生電壓，勢(shì)壘高度為qUD，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離后形成短路電流。 d)有光照有負(fù)載，一部分光電流在負(fù)載上建立起電壓Uf，另一部分光電流流經(jīng)外電路，勢(shì)壘高度為q(UD-Uf)。,68

30、,體積光生伏特效應(yīng)（第二類光生伏特效應(yīng)） 丹倍效應(yīng):由于光生載流子的擴(kuò)散速度（跟有效質(zhì)量成反比）的不同而導(dǎo)致在光的傳播方向上產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象 表面至內(nèi)部的載流子濃度梯度 丹倍電壓或擴(kuò)散電壓（通常較低） 丹倍電壓與載流子遷移率之差成正比，小信號(hào)時(shí)還與光強(qiáng)成正比： 輸出功率低：未照部分電阻高，壓降高（P49） 光磁電效應(yīng)（跟擴(kuò)散和遷移率有關(guān)）：相當(dāng)大光強(qiáng)度范圍內(nèi)，開路電壓與光強(qiáng)度成正比,光子牽引效應(yīng)：光子與自由載流子作用，速度快（無復(fù)合問題10-10s），但效率低（kW級(jí)輸入mV級(jí)輸出）,69,1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,三、光電發(fā)

31、射效應(yīng),光照時(shí)光敏物質(zhì)中電子能逸出表面,70,過程（激發(fā)傳輸逸出表面） （1）電子吸收光子以后產(chǎn)生激發(fā)，即得到能量（吸收系數(shù)盡量大）； （2）得到光子能量的電子（受激電子，又稱熱電子）從發(fā)射體內(nèi)向真空界面運(yùn)動(dòng)（電子傳輸過程，傳輸距離用逸出深度表示）； （3）這種受激電子越過表面勢(shì)壘向真空逸出（到達(dá)表面電子能量大于逸出功）。,71,三、光電發(fā)射效應(yīng),光電發(fā)射過程： 激發(fā)傳輸逸出表面 金屬的光電發(fā)射 電子逸出功：T=0K時(shí)真空能級(jí)與EF之差 半導(dǎo)體的光電發(fā)射 電子親和勢(shì)：導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時(shí)所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量）與導(dǎo)帶底能級(jí)Ec之差。 負(fù)電子親和勢(shì)（NEA，

32、Negative Electron Affinity）：是指體內(nèi)的有效電子親和勢(shì)，而不是指表面電子親和勢(shì)。,1.3 光電效應(yīng),72,三、光電發(fā)射效應(yīng),外光電效應(yīng)的幾個(gè)規(guī)律 光電發(fā)射第一定律-斯托列托夫定律 頻譜成分不變時(shí)，光電發(fā)射電流與被陰極所吸收的光通量成正比 Ik=SkFk （Sk：光電器件的靈敏度） 光電發(fā)射第二定律-愛因斯坦定律 發(fā)射出光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增高而線性地增大，與入射光強(qiáng)（光子數(shù)目多少）無關(guān) 光電發(fā)射的紅限 使電子能逸出的入射光的最長(zhǎng)波長(zhǎng) 波長(zhǎng)紅限,1.3 光電效應(yīng),380nm 3.2ev 780nm 1.6ev,光電發(fā)射的瞬時(shí)性（高頻響，無慣性）：光電發(fā)射的延遲時(shí)間不超過310 -13s的數(shù)量級(jí)。光電發(fā)射具有表面和體積效應(yīng)。,73,1輻射度量、光譜輻射度量、光度量定義的差別？重點(diǎn)掌握光度量的定義，包括其單位等。以光度量為例，弄清出射度、照度、亮度的區(qū)別。 2朗伯輻射體（又名均勻漫反射體）其輻射滿足余弦定律，能夠證明其亮度與空間角度無關(guān)，且出射度在數(shù)值上是亮度的pi倍。 3視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞對(duì)光強(qiáng)和顏色分辨有何不同，明暗視覺各