光电子学chp5-2

§5-2光探测的基本物理效应一、光电效应：当光照射时，材料的电学性质发生变化的现象。外光电效应：光照射时，有电子发射。内光电效应：光照射时，材料的电性质发生改变，如电导率改变，产生感应电动势，但无电子发射。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。1905年，爱因斯坦根据普朗克的黑体辐射量子假说大胆提出了“光子”概念，成功地解释了光电效应，建立了著名的爱因斯坦方程，使人们对光的本性认识有了一个新的飞跃，推动了量子理论的发展。爱因斯坦也因此获得了１９２１年诺贝尔物理奖。另外一个因为光电效应研究的获奖者，密立根，设计了精密的实验证实光电效应，获得１９２３年诺贝尔物理奖。爱因斯坦对光电效应的解释(1905年）：光束由光子构成，频率为的光束，光子能量为e=hν.当光子照到金属表面时，一个光子的能量一次为金属中的一个电子全部吸收，而不需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力而作功W，余下的就成为电子离开金属表面后的动能。爱因斯坦的光电效应方程：斯托列托夫定律光电流的大小与入射光强成正比；前提：入射频率高于红限值。外光电效应的应用：测量可见波段的微弱信号，响应时间可达１０－１２ｓ。红限频率、红限波长（长波限）爱因斯坦定律（光电效应方程）：VGAK+－RE+－光电效应实验原理图（1）存在截止频率（红限）ν0，当νν0时，无论多强的光也没有光电子逸出。（2）逸出的光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。（3）入射光的强度只影响逸出的光电子的数量。（4）截止频率只与材料有关而与光强无关。（5）无论多弱的光，只要其频率大于截止频率，一照射到金属表面，就有光电子逸出。00FFhWWEEEE1、外光电效应（光电子发射效应）具有外光电效应的材料称为光电子发射体。要使光电子逸出材料表面，入射光子的能量必须大于光电子发射体的逸出功。(逸出功）：真空能级：费米能级gghEhE物理过程（1）光子被材料吸收本征吸收（本征发射体：由本征吸收发射光电子）杂质吸收（杂质发射体：由杂质吸收发生光电子）（2）光电子向材料表面运动在运动的过程中，光电子与晶格散射、电子碰撞光电子损失能量损失能量小损失能量大00c0c::ocgEEhEEEEE（3）光电子逸出界面价带中的电子，吸收一个光子被激发后，一部分能量消耗在由价带激发到导带的过程，还有一部分能量消耗在由导带逸出表面的能量，称为电子亲和势，（5-2-1）总能量越小，电子越容易逸出正电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极0c0c0::0ocgEEEEEEhE正电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极2maxmax12oFmhWWEEhW外光电效应的实验定律：（1）爱因斯坦定律：（5-2-2），称为材料的逸出功，是光电子从材料表面逸出后具有的最大速率。要求：，才能有光电子的产生。A/lmKKVKVKhWvWhchWISIS当时，光电子速度0，对应的频率称为红限频率，为红限波长，，（2）斯托列托夫定律：（5-2-3）饱和光电流，入射光通量光电发射体的灵敏度，单位此式表明，光电流的大小与入射光强度成正比。2、内光电效应当半导体材料受到光照射时，没有光电子的发射，仅改变电导率，这种现象称为内光电效应。光电导效应内光电效应光伏效应（1）光电导效应当光照射到半导体材料时，在材料内部激发出新的载流子，称为非平衡载流子，引起电导率的增大，这种现象称为光电导效应。0000()()NPNPNPenpnpenpnp00推导光生电流强度无光照时，半导体电导率（5-2-4）、为电子，空穴浓度、为电子，空穴的迁移率，称为暗电导。有光照时，电导率的改变量（5-2-5）、：电子和空穴的浓度增量。NNenn型半导体（5-2-6）单位时间受到光照射而产生的载流子数因复合而消失的载流子数:PPNhabPQhabc单位时间投射到单位面积的光子数：（5-2-7）单位体积产生的光生载流子数（5-2-8）量子效率，吸收一个光子产生电子空穴对的几率。:nRQRPnQRhabcPnhabc单位时间内因复合而消失的载流子数：光生载流子的寿命达到平衡时，，因光照而增加的电子数为：（5-2-10）:NNNNNdIJdsJEenEIenbcEPPIebcEeahabchEPehT光电流式中：单位场强下电子平均漂移速率（5-2-12）dddd::::dNaTEPhPehTGTaTGIbETI令，称为电子渡越时间。光子个数。单位时间内光照产生的电量，即电流。反映了电荷移动过程中，影响光电流大小的因素。定义光电导增益：（5-2-13）增大可使光电导驰豫效应光照射到材料上时，光生载流子要经历一个慢慢增大的过程，最终趋于稳定。光照结束后，也要经历一段时间，电子和空穴复合完毕后，光生载流子才降为零，这种效应反映了光电导材料对光强变化快慢的程度，称为光电导驰豫。光生载流子由零上升到稳定值的63%，以及由稳定值下降到37%的时间称为响应时间。dnnQRdt随时间的变化为：（5-2-14）(ln()00lnlnln()lnndQdnnQdtndtQnQcttncQnQQtQtnQ）（）通解：-初始条件：时，-(1)(1)(1)ttttnQeenQenQentnQ（5-2-15）此为光照开始时，光电子的变化规律，呈指数式上升。时，000lnlntnQtQdnnRdttnQdndtntntnQnQe光照停止后，（5-2-16）时，（5-2-17）随时间t呈指数式下降。（2）光伏效应由于光照在PN结两端形成电动势——光生电动势这种效应称为光生伏特效应，简称光伏效应。PNNPPNPN在光的照射下，结内产生自由电子和自由空穴。在内建电场的作用下，电子向区流动，空穴向区流动。这样，在区积累更多的空穴，在区积累更多的电子，由此形成的电场与内建电场方向相反，势垒降低。相当于在结上加了一个正向电压。PDPNPNL流经结的电流包括：1、光激发产生的电子-空穴对，在内建电场作用形成的光生电流I，方向NP。2、光生电流流过R负载电阻，产生电压降，相当于给结施加正偏电压，从而产生正向电流I，方向PN。(1)::(1)ln(1)eVkTDSSeVkTPDPSPSIIeIVPNIIIIIePNIIkTVeI正向电流为：（5-2-18）反向饱和电流结正偏电压总电流：（5-2-19）结端电压（5-2-21）(1)0ln(1)(2)V0ln(1)00PocSPSPPSscPIIkTVeIIIIIIIIIPIIeh开路，开路电压（5-2-20）短路，，即即短路电流（5-2-22）二、光热效应定义：某些物质在受到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。类型：热释电效应测辐射热计效应温差电效应１、热释电效应在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补偿，其电不能显现出来，当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使电介质对外显电性。当光照射物质时，光能量被吸收导致物质温度升高，使得电偶极子热运动加剧，自发极化强度也随之发生变化，因此出现光辐射的强度变化物质的温度变化自发极化强度变化。热释电与温度的关系热释电：温度低时，自发极化强度大，晶体表面感应的电荷增加；温度增高时，自发极化强度变小，晶体表面感应的电荷相应减少，相当于释放了一些电荷。热释电晶体－－－铁电体在某个温度内（小于居里温度）具有自发极化；外电场可改变自发极化的方向；具电畴结构；交变电场作用下，具有电滞回线现象。在介电晶体中，有一类与铁磁体性能相似的材料，称为铁电体（实际上铁电体一般并不含铁）。在一定温度范围内，即使没有外加电场的作用，它本身也会自发形成具有一定电矩的分子集团，产生一定的电场，这种分子集团称为电畴。２、测辐射热计效应入射光的照射，使材料由于受热而造成电阻率变化的现象。电阻变化与温度变化的关系：电阻温度系数：对于金属材料：对于半导体材料：３、温差电效应由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。光照射结点产生温度变化也能造成温差电现象。温差电效应的三种类型：珀耳帖效应塞贝克效应汤姆逊效应珀耳帖效应电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。塞贝克效应有两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，结点间将产生电动势E，回路中引起电流。一旦温度梯度建立，热端载流子有较大动能趋向冷端扩散，并出现堆积。正是这种堆积使电中性受到破坏，从而出现内建电场以阻止热端裁流子向冷端进一步扩散，且终导体内无净电荷的定向流动，在导体两端就出现了温差电动势。所以，这是一种热能转换为电能的现象。汤姆逊效应－－－单一均匀导体三种温差现象的内在联系：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。光电效应和光热效应的比较热探测：无波长选择性；响应时间长；材料对红外波段的热效应更强，广泛应用于长波长红外线的测量。光电探测：有波长选择性；响应速度快。