第三章--光电探测器件

第三章光电子发射探测器探测器件热电探测元件光电探测元件气体光电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效应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表1：探测器件分类光导管或光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器1.光电导(本征和非本征)2.光生伏特PN结和PIN结(零偏)PN结和PIN结(反偏)雪崩肖特基势垒异质结3.光电磁光子牵引内光电效应光电管充气光电管光电倍增管象增强管1.光阴极发射光电子正电子亲和势光阴极负电子亲和势光阴极2.光电子倍增气体繁流倍增打拿极倍增通道电子倍增外光电效应相应的探测器效应表2光子效应分类光电效应定义：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；因此，把由光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。1.原因：是辐射，而不是升温；2.现象：电子运动状态发生变化；3.结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。在理解上述定义时必须掌握以下三个要点：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。光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。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。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。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。简单记为：光辐射→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。§3-1光电子发射探测器3.1.1光电子发射效应3.1.2光电发射材料3.1.3光电倍增管（一）光电发射原理1887，德国物理学家赫兹发现金属或半导体在光的照射下吸收光子激发出自由电子，当吸收的能量足以克服原子核对电子的束缚时，电子就会脱离原子核逸出物质的表面，这就是物质的光电发射现象，也称为外光电效应。是真空光电器件光电阴极的物理基础。3.1.1光电发射效应PhotoelectriceffectHeinrichHertz（l857—1894）AHeuristicInterpretationoftheRadiationandTransformationofLight电子逸出功：电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所需的最低能量，也可以说是光电发射的能量阈值。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。（二）光电发射基本定律•当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，因此，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比：Ik1.光电发射第一定律——斯托列托夫定律：I：饱和光电流;k：光电发射灵敏度常数；：入射辐射通量•光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：2maxmax12wwhcEmvhvEESJ341062.6显然，当时，逸出电子无动能，那么，就不会产生光电发射，因此，光电发射存在长波限。0WEhc2.光电发射第二定律——爱因斯坦定律：m为电子质量vmax为电子逸出后的最大速度；h为普朗克常数：Ew为光电发射体的逸出功♣（1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关；——光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构。♣（2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。——入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。光电效应的特性是：•（三）光电效应发生的条件：0wEh•截止频率0whcE•截止波长seV1013.4SJ106.61534hnm/s103μm/s1031714c01.24(μm)(eV)wE可见，Ew小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。1eV=1.602×10-19(J)一些金属的极限波长(nm)：铯钠锌银铂652540372260196（四）光电发射的基本过程从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10-9s；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。光电发射大致可分三个过程：表面势垒是由于原子核的静电引力等作用引起。金属中自由电子能量服从费米分布热电子发射:物体被加热而发射电子的现象。当物体被加热时，电子的能量随温度的提高而增大，其中有的电子就能够克服表面势垒而逸出物体。（五）金属的光电子发射逸出功：即电子从固体中逸出所需的最小能量。为Wφ＝Ev-EF。E为真空能级EF为费米能级当温度T1较低时，金属内部能量最大的电子也不足以克服表面势垒而逸出。当温度T2较高时，能量高于真空能级E的电子就有可能克服表面势垒而逸出，即形成热电子发射。光电子发射：物体受光照射而发射电子的现象称作光电子发射。光照射在物体上有一部分被反射，其余部分穿入物体内被吸收。物体吸收光能后可能出现能量较大的电子，某些电子在到达物体表面时还保留足够的能量，能够克服表面势垒而逸出，成为发射电子。（五）金属的光电子发射金属中自由电子能量服从费米分布212AFmvhvEEEEFEAE0E02211δE00T=0KT0K自由电子能量分布曲线金属表面势垒在向表面运动并逸出表面前各种损失能量ΔE≥0，克服表面势垒EA。因此，从表面逸出电子动能为：（五）金属的光电子发射T=0K时，金属中能量最大的电子处在费米能级上，即E=EF。当这些电子吸收光子能量hv后，能量增大至E’=E+hv。ΔE=0时发射初速度最大为vmax，且逸出功Ew=EA-EF=hv02max01v2wmhvEhvvT0K时光电子最大初动能与入射光频率关系曲线v0v0T0K2max1v2mT0K时，金属中一部分电子的能量比费米能级EF高出δE，这些电子的存在导致出现初速度大于vmax的光电子。在vv0时出现拖尾现象。因此，爱因斯坦定律只在T＝0K时正确。金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%以上），吸收效率很低；光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧失很多能量。只有很靠近表面的光电子，才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子逸出深度很浅，只有几nm；金属逸出功大多为大于3eV，对能量小于3eV（λ410nm）的可见光来说，很难产生光电发射，只有铯（2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于0.1%，在光电发射前两个阶段能量损耗太大。导带价带满带禁带E禁带gE•根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。•满带：任何时间都填满电子数。•价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。•导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。•半导体的能带（六）半导体的光电发射1)吸收光电子。当吸收的光子能量大于EA时激发的电子才有可能逸出表面，而低于EA的那些电子则成为导带中的非平衡电子，对光电导有贡献。半导体的光电子发射过程：本征发射、杂质发射、自由载流子发射2)光电子向表面运动。受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)克服表面势能逸出。达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。本征半导体为hv0=Eg+EAgAEEEvEcE(a)本征半导体gEAEFE本征半导体T=0K时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：caEEEN型半导体N型半导体是以电子为主导电的半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的最低能量为:vEcEW(b)N型半导体gEAEaEFE在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。avEEEP型半导体P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能为:这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，P型半导体具有较高的电导率。vEcEgEaE(c)P型半导体AE•逸出功：AgWEE•逸出功：AWE逸出功vEcEW(b)N型半导体gEAEaEFE0EvEcEW(a)本征半导体gEAEFE0E•逸出功：AFcAnWEEEE•逸出功：AgvFAgpWEEEEEEvEcEW(d)简并P型半导体gEAEFEp0EvEcEW(c)简并N型半导体gEAEFEn0E半导体的光电逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需的最低能量；另一部分是电子从导带底逸出所需的最低能量（即电子亲和势）。♣半导体自由电子较少，且有禁带，费米能级EF一般都在禁带当中，且随掺杂和内外电场变化。♣半导体电子逸出功定义为T=0K时真空能级与电子发射中心的能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是杂质能级，有的是导带底，情况复杂，因此对于半导体很少用电子逸出功的概念。♣由于电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此为了表示光电发射的难易，使用亲和势的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。FEEE0♥对于金属情况，金属内光电子发射来源于费米能级EF附近。光电发射阈值定义为电子真空能级E0与EF之差，即：♥由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失自然大，因而光电发射效率很低。eEFE0E金属•对半导体材料，体内光电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的光电发射阈值Eφ为：0cgAgEEEEEEEvEFEcEAeEgE0(b)理想半导体Eφ电子亲和势：真空能级与导带底之差•电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）E0与导带底能级E