光电检测技术与应用 第2章 光电检测技术基础.pptVIP

光信息科学与技术系 第二章 光电检测技术基础 导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。 电阻率10-6 ~10-3欧姆?厘米范围内——导体 电阻率1012欧姆?厘米以上——绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆?厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆?厘米)) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。 平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子的产生 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 载流子的输运过程 扩散 漂移 复合 半导体对光的吸收 物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收 本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发 杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向. 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收 激子和晶格吸收 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。 光电导效应、光生伏特效应和光热效应 光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。 包括： 外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化 光电效应解释 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。 光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因 光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。 光电导效应 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。 物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。 包括： 本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。 本征光电导效应 本征光电导效应：是指本征半导体材料发