光电检测技术基础分解.pptxVIP

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 Ω·cm范围内——导体电阻率1012 Ω·cm以上——绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体电阻率ρ=R*S/L ，单位Ω·m 。R为电阻值，S为横截面积，L为长度。推导出R=ρ*L/S。设导体横截面1mm2，长度1m，电阻率10-6 Ω·cm或1012 Ω·cm，计算出电阻为0.01Ω或1016Ω半导体的特性半导体电阻温度系数一般是负的（温度升高，电阻下降），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。施主杂质为不可移动的带正电的施主离子，同时提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质为不可移动的带负电的受主离子，同时提供空穴，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（从固定态到游离态所需能量）时，光子就能激发电子移动，产生电子－空穴对，比平衡时多出一部分电子，多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于非平衡空穴浓度。光注入产生的非平衡载流子，导致半导体电导率增加。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生光电导效应。 即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即： hvEg即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。（光速c=ν* λ）基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流3、亮电导率和亮电流4、光电导和光电流 光S本征半导体样品LU基本公式：暗电导Gd=σdS/L暗电流Id= σdSU/L亮电导Gl= σlS/L亮电流Il= σlSU/L光电导Gp= ΔσS/L光电流Ip= ΔσSU/L光电导效应示意图杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的电离能，则截止波长：λ0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半