光电导效应光生伏特效应

第二章光电检测技术基础应用物理系第二章光电检测技术基础教学内容：2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应1、在远离家时如何防盗并报警？2、在太空中靠什么拍摄出清晰图片？3、在大型石化工厂中如何发现险情并及时处理？思考§2.4光电效应光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测的器件光辐射量光电探测器电量、热量等光电效应光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。物理基础光子效应光热效应外光电效应内光电效应光电发射效应光电倍增效应光电导效应光伏效应光电磁效应丹培效应温差电效益热释电效应光电效应类型：§2.4光电效应光电效应光电探测器件热电探测元件光子探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管§2.4光电效应一、光子效应和光热效应§2.4光电效应光子效应(photoniceffect)指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。特点•对光波频率表现出选择性•光子探测器响应速度一般比较快利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器光热效应(photothermaleffect)探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点•原则上对光波频率没有选择性•响应速度一般比较慢。在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。例如：家庭式热释电红外探测器§2.4光电效应光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒光电器件特点：§2.4光电效应•外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象，其多发生于金属&金属氧化物光电发射效应、光电倍增效应•内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，其多发生于半导体内。光电导效应、光生伏特效应、光电磁等二、光子效应类型§2.4光电效应•光电发射效应1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，获得1921年诺贝尔物理学奖。§2.4光电效应三、光电发射效应三、光电发射效应EhEk0212mvEkE：光电发射体的功函数电子离开发射体表面时的动能在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。光电发射体能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光电阴极。爱因斯坦方程§2.4光电效应截止（红限）频率截止（红限）波长chEsnmsmcseVsJh/103/1031013.4106.617141534)(24.1)(eVEEhcmc§2.4光电效应光电发射器件的特点：1.光电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器与变相器技术的基本元件。§2.4光电效应2.很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。3.光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。4.光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。§2.4光电效应四、光电导效应光电导现象——半导体材料的“体”效应1、定义：半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。§2.4光电效应导体材料:电阻率，电导率一般为常数；半导体材料：电阻率，电导率一般不再是常数。§2.4光电效应典型的光电导器件：光敏电阻光电导器件可用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗、光电计数器、光电控制照明、自动安全保护等，用于夜间或淡雾中探测红外线目标，红外通信、导弹制导等。本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时，易于发生杂质光电导。)()(24.1)(本征eVEmgc)()(24.1杂质eVEi是禁带宽度gEiE是杂质能带宽度§2.4光电效应本征半导体样品ALLSUUGIUddd：，通过的电流为暗电流电压无光照时，给样品施加2、光电系统基本模型LSGdd(1)无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激发载流子浓度，材料处于暗态，具有暗电导。子长度。电导单位为西门为样品的为样品横截面的面积；；为半导体材料的电导率表暗态；代为样品的电导率，下标其中，sLSdG§2.4光电效应U。为光致电导率的变化量其中，光电流：光电导：LSUIIIGGGdlpdlp)3(A本征半导体样品SL光LSUUGILSGlllll对应的电流为亮电流亮电导§2.4光电效应(2)有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，材料处于亮态，具有亮电导U3、光电导与辐射通量的关系A本征半导体样品L光dbe设通量为e的单色辐射入射到半导体上，其波长满足发生光电效应的条件，且被完全吸收，则光敏层单位时间所吸收的bdLhVhNeee光子数密度：光子被吸收后，将在半导体中激发产生光生载流子，但并不一定是一对一的产生关系，除此之外，由于热激发也会产生热生载流子，同时，这些电子空穴对还会有随时复合的可能性§2.4光电效应考虑综合因素，列出载流子的各种变化A本征半导体样品L光db光生电子率：eeNG热生电子率：为半导体材料的量子效率tG热电子复合率：iiftpnkrkf为复合几率，ni、pi为热激发所产生的电子浓度、空穴浓度热平衡状态下：ttGr光敏层中总的电子产生率：etetNrGG电子与空穴总的复合率：))((iifppnnkR§2.4光电效应A本征半导体样品L光db电子与空穴总的复合率：))((iifppnnkRn、p为光生电子浓度、光生空穴浓度平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是相等的RGGte))((iifteppnnkrN即非平衡条件下，载流子总产生率和总复合率是不相等的因光生电子与空穴是成对出现，所以浓度变化我们只考察电子浓度即可，设载流子浓度的时间变化率为§2.4光电效应本证半导体非热平衡时，因光生电子与空穴是成对出现，所以浓度变化我们只考察电子浓度即可，设载流子浓度的时间变化率为：§2.4光电效应RGGdtndte))((iifteppnnkrN)(iiiiftepnnppnpnkrN因iiftpnkrdtnd)(iifenppnpnkN§2.4光电效应dtnd)(iifenppnpnkN非热平衡时讨论：a.弱辐射作用下：nni、ppi，且本征吸收时n=pdtnd)(iifenppnpnkN可忽略)(iifepnnkN由初始条件：t=0，n=0，求解上式可得)1(teeNn)(1iifpnk为载流子的平均寿命§2.4光电效应)1(teeNn)(1iifpnka.弱辐射作用下：若时间t，则exp(-t/)0，nn0=Ne，为一定值整个半导体的载流子浓度达到一个动态平衡由半导体的电导率：ipnipinienenepen)(知光致电导率的变化量：ne则光电导为：LbdLSGGp载流子的迁移速率A本征半导体样品L光db§2.4光电效应光致电导率的变化量：ne光电导为：LbdLSGGpLbdNeebdLhNee2LheLbdbdLheGGeepa.弱辐射作用下：2LheLbdbdLheGGeep结论：弱辐射作用下半导体的光电导与入射辐射通量成线性关系，与两电极间距离L2成反比§2.4光电效应定义：光电导灵敏度（光电导对入射辐射通量的敏感程度）2)(LhCedGdSepg结论2：弱辐射作用下Sg还与两电极间距离L2成反比结论1：弱辐射作用下Sg与材料性质有关在设计光敏电阻时要充分考虑材料及结构的要求！§2.4光电效应b.强辐射作用下：nni、ppi，n=pdtnd)(iifenppnpnkN2)(nkNfet=0，n=0tkNnfetanh)(21efNk121212)(efpLkhbdeGG21212)(21efgLkhbdeS§2.4光电效应b.强辐射作用下：21212)(efpLkhbdeGG21212)(21efgLkhbdeS结论：强辐射作用下，半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，与入射e也有关，并且是非线性关系在光敏电阻的使用中会出现明显的前例效应4、光电导增益•光电导增益M是光电导器件的一个重要特性参数,它表示长度为L的光电半导体两端加上电压以后,由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流(eN)之间的比值。定义式：§2.4光电效应eNiM式中，i为光生载流子所形成的外部光电流N为光辐射每秒激发的电子空穴对数目§2.4光电效应A本征半导体样品L光db由图可知，光照射到半导体上产生的光电流LAULbdUipnepenpnpene在光辐射下，n=n0+n，p=p0+p，=0+弱辐射时，nn0=Ne，Ne为单位时间内产生的电子空穴对数的密度，假设单位时间内总共产生N对电子空穴对，则nALNnpALNpLAUipnpenenALNnpALNp)(ppnnALNeALNeLAUi)(2ppnnLeNU)(2ppnnLUeNiM§2.4光电效应对光电导器件如采用N型半导体，电子为多子，空穴可忽略)(2nnLUeNiMnnnLUM2ppppptLUM2nnnnnnntLLULUM/2同理§2.4光电效应A本征半导体样品L光dbLUEnnnMn称为光敏电阻中电子的增益系数。tn=L/n为电子的漂移时间。载流子的迁移速率为漂移速度与电场强度之比。LUEppp•如果把1/tn和1/tp之和定义为1/tdr.,即)11(pnpnpnttttMMMpndrttt111式中,tdr称为载流子通过极间距离L所需要的有效渡越时间,于是drtM在半导体中,电子和空穴的寿命是相同的,都可用载流子的平均寿命τ来表示,即τ=τn=τp，则本征型光敏电阻的增益可写成§2.4光电效应光敏电阻4、光电导增益drtM显然，增益M与渡越时间tdr成反比。而渡越时间与两电极间距离L成正比，故为增大M，需减小L。但要提高光电导器件的灵敏度又需较大光敏面，因此两种之间存在一定矛盾。常见结构：蛇形光敏面§2.4光电效应光伏现象——半导体材料的“结”效应例如：光照PN结1、定义：它是把光能转化为电能的一种效应，是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空