§2.3光电探测器的物理效应.pptx

§2.3光电探测器的物理效应;光电检测技术是光电技术中最核心的部分，是专门研究用光电的方法进行各种检测、变换、处理的原理和方法的技术。它包括各类光电传感检测器件、检测电路及其与微机接口、光电信号各种变换形式及各种检测技术与方法等。;光电检测技术简介;光电检测技术简介;光电检测技术简介;光电检测技术简介;光电检测技术简介;一、光热效应和光电效应（光子效应）概述;;确切给光电效应一个定义：某些物质在辐射作用下，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：

产生的原因：是辐射，而不是升温；

现象：电子运动状态发生变化；

产生的结果：光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。

;光电效应分类;外光电效应，是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,是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。

外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。

;A.光电发射效应

在光照下，物体向表面以外空间发射电子(即光电子)的现象，称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体。

具有能量hν的光子，被物质（金属）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。;1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律）;2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律）

爱因斯坦方程式：

式中是电子离开发射体表面时的动能，v是电子离开时的速度。hν是光子能量。是光电发射体的功函数。;;4、光电发射的瞬时性;5、光电发射过程;光电管;应用-光电倍增管;B.光电导效应;1、光电导体的灵敏度;表示方法（2）;2、光电导的弛豫;光电导的两种类型;公式计算可得出，在t=τ时，光电流上升到饱和值的（1-1/e），或下降到饱和值的1/e。

定义t=τ为光电流的弛豫时间;光电导效应有本征型和非本征型之分。

当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率的增加，这就是本征光电导效应。

若光子能量激发杂质半导体中的施主或者受主，使它们产生电离，产生光生自由电子或自由空穴，从而引起材料电导率的增加，这种现象就是非本征光电导效应。;;特点

光谱响应波长比本征光电导的长

适用范围：红外波段

适用温度：低温

光电导效应比本征光电导弱;;;C.光生伏特效应;p型半导体和n型半导体结合在一起，在交界面处其杂质分布不均匀，形成pn结。;N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在交界面处形成正负电荷的积累。;;PN结：P型区到N型区之间的过渡区域

;内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。;;热平衡下的PN结;平衡pn结中能带弯曲;pn结平衡时特点;非平衡p-n结（a外加电压时）

;p-n结正向偏置时，有较大正向电流通过p-n结。;反偏时的p-n结(P－,N＋);p-n结反向电压偏置(p区接负，n区接正)：

;A、外加正向电压：

?????内外电场方向相反→阻挡层变簿→内电场减弱→扩散运动加强→漂移运动减弱→扩散电流形成的正向电流大（多子运动），外加电压对正向电流有很强的控制作用。

??B、外加反向电压:

??????内外电场方向相同→阻挡层变厚→内电场增强→扩散运动减弱→漂移运动增强→漂移电流形成的反向电流小（少子运动），且反向电流基本不随外加电压而变，但随温度变化大。;p-n结的伏安特性为：;;;光照度越强，光生电动势也就越大。

当PN结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不停止，这个电流就不会消失。

注意：

⑴PN结产生光生伏特的条件是，与照射光的强度无关；

⑵光生伏特的大小与照射光的强度成正比。

;2、异质结;根据半导体单晶材料的导电类型;;I-V特性：;半导体超晶格;金属和半导体的功函数;Wm表示一个能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的能量最小值。;半导体功函数:真空中静止电子的能量（真空能级）