光电检测器件工作原理及特性.pptVIP

正弦光照时： 光生载流子浓度 Δn0：中频时非平衡载流子浓度。 ω：圆频率，ω=2πf。 τ：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常数。 Δn 随ω的增加而减小 3）光电导增益 长度为L的光电导体在两端加上电压U后， 由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。 τ为器件的时间响应； tdr载流子在两极间渡越时间。 减小电极之间的距离，从而既可减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。 光电导增益与带宽之积为一常数 光电导增益与带宽成反比关系。 2、本征半导体与杂质半导体 1）本征半导体 结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。 自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小 。 2）杂质半导体 半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。 3）掺杂对半导体导电性能的影响 半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，因此会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。 N型半导体 P型半导体 N型半导体与P型半导体的比较 3、热平衡态下的载流子 激发：电子获得一定的能量从价带跃迁到 导带，形成自由电子和自由空穴。 复合：电子从高能量的量子态跃迁到低能量 的量子态，向晶格释放能量。 在一定温度下，若没有其他的外界作用，激发和复合相平衡，称为热平衡状态 4、非平衡载流子 1）激发和复合 在外界作用时，激发大于复合，这种增加的电子和空穴称为非平衡载流子。 浓度用 表示。 在导带和价带中的电子和空穴的浓度分别为 有恒定光照时，n和 p增大，复合率上升，直到达到新的平衡。 光照停止时，n和 p减小，复合率下降，再次达到平衡。 2）复合与非平衡载流子寿命τ 三种复合机制：直接复合 通过复合中心复合 表面复合 直接复合 导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。 通过复合中心复合 复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合 中心间接复合包括四种情况： 电子从导带落入到复合中心称电子俘获； 电子从复合中心落入价带称空穴俘获； 电子从复合中心被激发到导带称电子发射； 电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。 非平衡载流子寿命τ 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存 在时间。 τ表征复合的强弱，τ小表示复合快，τ大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系。τ的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。 5、半导体对光的吸收 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光 电器件的工作基础。 光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： 1）本征吸收 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激 发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。 本征吸收的条件：入射光子的能量（hv）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即 从而有 材料的频率阈值 材料的波长阈值 几种重要半导体材料的波长阈值 2）非本征吸收 主要有四种： 杂质吸收 自由载流子吸收 激子吸收 晶格吸收 （1）杂质吸收 杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。 （2）自由载流子吸收 导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。 （3）激子吸收 能产生激子的光吸收称为激子吸收 吸收光谱密集于本征吸收波长阈值的红外一侧。 （4）晶格吸收 半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。 半导体对光的吸收主要是本征吸收。 6、载流子的输运 热平衡时平均定向速度为零。 非平衡时载流子的运动形式主要有： 扩散运动 漂移运动 1）扩散运动 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。 扩散电流 扩散运动主要是少数载流子 扩散运动示意图 2）漂移运动 载流子在外电场作用下，电子向正电极方 向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。 漂移电流 漂移运动主要是多数载流子 辐射度量与光度量 半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数 光与物质作用 2.3光电检测器件的物理基础 光电效应 光热效应 外光电效应 内光电效应 热释电效应 温差电效应 辐射热计效应 1、光电发射效应 外光电效应主要是光电发射效应。指当光 照射到物体上使物体向真空中发射电子 。