1.1_理论基础光电检测教程方案.ppt

图1.1.3-4 掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线 　　由图可知，光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导。光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。 　　图1.1.3-4中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是P型半导体（P型Ge:Au），从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是P型（P型Ge:Au:As），长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从P型转变为N型（N型Ge:Au:As），从曲线中可看到长波限相应于0.2eV。 问题：直观的比较光电发射效应（外光电效应）、光电导效应（内光电效应）原理上有什么不同，制作的光电元件性能上有什么不同？ 提示：可从响应波段的范围及响应速度等角度思考。包括光电管的体积、结构的简单性、对环境温度的敏感度等。 §1.1.4 光生伏特效应 　　光生伏特效应指的是由光照引起电动势的现象。 　　半导体界面包括有：由于掺杂质不同而形成的P型区和N型区的界面，即PN结；金属和半导体接触的界面；不同半导体材料制成的异质结界面以及由金属－绝缘体－半导体组成系统的界面。在这些界面处都存在着一个空间电荷区，其中有很强的电场，称为自（内）建电场。光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下的运动，就是形成光生伏特效应的原因。 　　这里以PN结为例具体说明。 由浓度差产生的运动为扩散运动 由电场作用所产生的运动为漂移运动 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。 　　PN结交界处：N区一侧带正电荷，P区一侧带负电荷，自建电场方向自N区指向P区。由于光照可以在空间电荷区内部产生电子空穴对，它们分别被自建电场扫向N区与P区，形成光致电流。在空间电荷区附近一定范围内产生的电子空穴对，只要它们能通过扩散运动到达空间电荷区，同样可以形成光致电流。 　　光致电流使N和P区分别积累了负电荷和正电荷，在PN结上形成电势差，引起方向与光致电流相反的PN结正向电流。 　　当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候，便达到稳定情况，这时的电势差称为开路电压。 　　如果PN结两端用外电路连接起来，则有一股电流通过，在外电路负载电阻很低的情况，这股电流就等于光致电流，称为短路电流。 　　在稳定条件下，PN结上的光电压与流经负载的光电流 I的关系为 当I = 0时，可以确定开路光电压Voc为 式中为 Isc 短路电流。 　　一般来说，光生电压随光强的增加而增大。 　　光生伏特效应的应用之一是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。 另外，利用光生伏特效应制成的光电探测器件也得到广泛的应用。 §1.1.5 热释电效应 　　热释电效应：某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。 式中pi 称为热释电系数。 　　此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。 　　通常下，在这种晶体表面上总电矩的正负端容易吸附异性电荷直到完全抵消总电矩所产生的宏观电场，所以这种固有极化并不表露出来。但当温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷。 　　具有热释电效应的晶体称为热电体。 　　当温度变化ΔT时，极化强度的变化分量: 　　热释电效应的大小与晶体所受的机械约束有关。在被钳制不能发生形变的晶体中出现的热释电效应为一级效应，或称主效应。在自由晶体中，除一级效应外还有因热膨胀所诱导的压电效应也会改变表面吸附的电荷量，这是次级热释电效应。晶体的温度、应力或应变不均匀时所引起的附加作用属于三级热释电效应，亦称假热释电效应。 　　典型的热释电体的热释电系数p值为10-5 数量级。在恒定温度下要产生相当于ΔT=1oC所引起的ΔP值，需施加70 kV/m 的外电场。铁电体（铁电体是一种电介质材料，它在自然状态下基本晶胞内存在固有的不对称性，即有自发极化特性，且自发极化方向可随外加电压而转向，即使关断电源，其极化方向也不会改变；只有加上反向电压后，极化方向才能被改变。）的热释电效应比非铁电体例如电气石、CdS 等大很多，并且p值与温度有关；靠近居里点时铁电体的热释电系数变得特别大。 　　热释电探测器的电信号正比于其温度随时间的变化率，热电体有重要和广泛的应用，如红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱接收器等。 　　 * * * * * * * * * * * * * 第一章 光电信息技术物理