光电探测材料-与受光器件.ppt

第五章 光电探测材料与器件;5.1 光电探测的物理基础;理解光电效应的三个要点： 1）原因：是辐射，而不是升温； 2）现象：电子运动状态发生变化； 3）结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。 光电效应的物理机制： 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。 光电效应中光与物质相互作用的本质：光子与电子的直接作用(电子吸收光子) 注意：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。;2、分类 外光电效应:指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物. 内光电效应:指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。;光导管或光敏电阻 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器;2.1）光电导效应:当光照射到半导体材料时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。常存在于高电阻率的半导体中。;本征光电导和杂质光电导的区别;(2)表面对光电导的影响;（3）噪声;2）热激噪声：由载流子在光电导体中的不规则热运动所引起的。自由载流子热运动速度大小的起伏和运动方向的杂乱性使得每一个体积元中载流子浓度大小是变化的，这就造成噪声。降低温度可以减少热激噪声。这种噪声存在于任何电阻器中.;2.2）光生伏特效应: 如果在一定条件下受到光照作用的半导体特定方向上产生电动势, 这种现象称为光生伏特效应.;垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 以PN结为例， 光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 ;2.3）光电子发射: 指固体在光的照射下向外发射电子的过程, 属于外光电效应.;根据能量守恒定理 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 ;为了得到尽可能高的光电发射量子效率,对半导体材料的要求: ①材料表面的反射系数要尽可能低. ②量子效率与电子在表面上的逃逸几率成正比, 而逃逸几率的大小取决于半导体电子亲和势与电子能量之比. 因此为了得到较高的量子效率,半导体的电子亲和势应尽可能低, 达到负值更好. ③半导体应该具有较高的光吸收系数. ④逃逸深度应该尽可能地大, 最好大于吸收深度. ⑤半导体的Eg要适中.;(4)表面条件的影响;一、光电探测器的主要性能参数;1.响应度R（或称灵敏度）描述光电探测器的光电转换效率。 定义：光电探测器输出信号与输入光功率之比。; 2.量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式为:;3. 光谱响应度R(λ)是响应度随波长变化的性能参数。大多数光电探测器具有光谱选择性。 定义：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射光功率之比。;　4. 频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能参数。其表达式为：;定义：单位信噪比时的入射光功率。表达式为;6.探测度D与归一化探测度D*;7.其它参数;二、光电探测器对材料的要求 1.固态探测器材料的一般要求： 1）热平衡载流子少； 2）陷阱复合中心少。 2.半导体探测器对材料的要求： 1）载流子有长的漂移长度 2）Eg大 3）低的劲杂质浓度 4）高的原子序数 5）理想的晶体生长技术和电接触技术（晶体的完整性、均匀性）;5.3 光电探测材料;2、化合物半导体红外探测器材料：HgCdTe（MCT）;③热激发速率小, 而非本征材料必须冷却到足够低的温度才能避免杂质的热激发, 因而在同一工作波段时, MCT比Ge, Si掺杂型红外探测器具有更高的工作温度, 响应速度快. ④有很小的电子有效质量、很高的电子迁移率、较低的本征载流子浓度和较小的介电常数, 因而MCT探测器有较高的光电导增益和响应率, 适合研制高频响应、宽频带的探测器. ⑤材料的热膨胀系数与硅接近, 因此可研制出与硅信息处理电路集成的混合式红外焦平面