半导体的光电效应.ppt

半导体的光电效应因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应内电光效应:光电导效应光生伏特效应外电光效应:光电发射效应光电导效应光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。主要有本征光电导与非本征光电导。下面讨论本征光电导：本征半导体光电导效应图讨论光电探测器的一般步骤：定性分析：工作原理定量计算：)()(ssssfVfI或性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等光电导效应s当入射光功率为s为常数时：用来产生光电效应的光功率:s产生非平衡载流子的光子数：hvs产生非平衡载流子的浓度：hvALpns在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在稳定时光生载流子的浓度为：npn00光电导为：)(pnpnq暗电导为：)(000pnpnq光电导效应那么它的短路光电流密度为：hvALEqEJspn)(0产生的短路光电流：AJI00光电导的响应时间：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。考察其瞬态过程：1)()(tngdttnd光电导效应积分得到：))exp(1()(0tntn矩形脉冲光照弛豫过程图同样停止光照时：)exp()()(0ttntn频率响应：2202211ngn正弦光照弛豫过程图光电导效应光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系hcALEqJspn)(0注意条件：gEhv0理想情况0实际情况光生伏特效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生机制：光生载流子的浓度梯度光电磁效应势垒效应（PN结）光生伏特效应PN结光伏效应半导体的PN结P型N型P型N型EfpEfnEf能级弯曲的原因：在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功，电势能降低P-N结光伏效应NNPVIsIdI光电流的大小为：若入射光功率为,shvqIss二极管的伏安特性电流：)1)(exp(0kTqVIId＋－那么流过PN结的电流为：SSdIkTqVIIII)1)(exp(0光伏效应SSdIkTqVIIII)1)(exp(0vId它的供电电流为：二极管伏安特性vI光敏二极管伏安特性短路电流为：sscII开路电压：)1ln(docIIsqkTV说明：第三象限为光电流区第四象限为光电池区第一象限不利用光电发射效应金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。外光电效应的两个基本定律：1．光电发射第一定律——斯托列托夫定律：当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：2.光电发射第二定律——爱因斯坦定律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：Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W光电发射效应表面势垒：金属表面形成的偶电层使表面电位突变。EE0Ef金属表面势垒光电发射大致可分三个过程：1)金属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。E0WEffEEW0半导体光电反射半导体的光电发射逸出供为：AgEEwE0EcEfEgWEA（其中EA为电子亲和势）半导体光电发射注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光效应，都存在着一个阀值波长问题探测器的噪声一般光电系统的噪声：目标光学系统探测器前放信号处理显示光子噪声探测噪声处理电路噪声光子噪声：信号辐射产生的噪声与背景噪声探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合噪声，温度噪声，1/f噪声探测器的噪声噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声）与频率有关的1/f噪声1/f噪声白噪声fS(f)噪声的主导地位：在低频时，1/f噪声起主导作用在中频时，产生复合噪声起主导作用在高频时，白噪声起主导作用噪声的克服等效噪声带宽fffAmN(f)A(f)f若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am,则噪声带宽为：dffAAfm0)(1说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。探测器的主要参数响应率（积分灵敏度）之比与入射光功率或电流探测器的输出信号电压sssIVssvVSsSvIS或光谱响应率之比：与入射光功率或电流的电压的单色光照射下，输出探测器在波长为SssIV)()(ssvVS)(或sSvIS)(探测器的主要参数snnssviVI率时，所对应的入射光功或电压根电流等于噪声的均方或电压流当探测器的输出信号电22等效噪声功率与探测率2nssiINEP它反映了能探测到的最小光功率响应时间：210f为探测器的上限频率为响应时间，其中0f关于响应时间积分得到：))exp(1()(0tntn矩形脉冲光照弛豫过程图同样停止光照时：)exp()()(0ttntn频率响应：2202211ngn正弦光照弛豫过程图线性线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功率的成比例的程度，其与工作状态有关vI光敏二极管伏安特性RPN在作线性光电池时，R的取值问题探测器主要参数的测试光谱响应率函数的测试标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数分束器显示显示光源聚光镜单色仪参考探测器放大放大标准或被测系统的构思，参考探测器的作用，标准探测器的作用探测器主要参数的测试响应率的测试（积分灵敏度）00)()()(ddss探测器的响应率：放大电表示波器锁相探测器限光屏斩光器辐射源电机输出抗干扰方法:调制探测器主要参数的测试线性的测试显示探测器光源导轨L在上图中入射到探测器的辐射通量与距离的平方成反比，因此，可以通过改变距离的方式来改变辐射通量。画出响应函数与距离平方倒数的关系曲线，即可求出探测器的线性范围。光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)辐射度的基本物理量辐射能：辐射通量：辐射强度：eQdtdQeeddIee辐射出射度：辐射照度：辐射亮度：dsdMeedAdEecosdsdILee光谱辐射量：光谱光视效率光谱光视效率V(λ)曲线图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉V(λ)曲线；虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉V(λ)曲线根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列于下表：明暗视觉的分界:3cd/m2明视觉的最大值为555nm明视觉的最大值为507nm光度学(Photometry)光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。光度量与辐射度量的关系dxvkxemv)()(780380辐射度光度学人眼光度学(Photometry)辐射度量与光度量的一一对应关系：（参见书本的的第4页）注意的是：探测器的的性能参数可能用不同的单位来量，但其本质是一致的。加深理解：参见课后练习（1—1).半导体光电器件半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。光明电阻的特点：光谱响应范围宽工作电流大所测的光强范围广灵敏度高偏置电压低，无极性之分不足之处是：在强光下线性较差，光电驰豫过程较长，频率响应低。光明电阻光明电阻的工作原理：注意本征光电导与杂质光电导的联系与区别：对于杂质光电导一般采用N型光电导材料光明电阻的主要特性参数：光电导增益由光照形成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之间的比值：参见书本：hvNe（表示单位时间内产生的电子空穴对数）内部电流：qN外部光电流为：ALALVNIppnnp)(故增益为：pnppnnpMMLVqNIM)(2光明电阻光电导与光伏探测器的区别：光电导：光照产生非平衡载流子以致改变材料的电导率，不会产生光电流，要产生电流必须外加电场。光伏：同样产生非平衡载流子，但内部存在一种分开机制，使得电子与空穴分离而形成光电流，不需要外加电压。在光敏二级管时要加电压，作用？NNPVIsIdI光明电阻光谱响应率时间常数线性前历效应温度特性常用的光明电阻：了解各种光明电阻的特性，用途，使用范围等光敏电阻的偏置电路基本偏置电路图：光明电阻RLRpggPdpdSESGGGGGR或＝为暗电导，11gPPPLgbPPLbPPLbSRRRRSVRRRVRIRRVI2222)()(常用的偏置方法恒流偏置：2)(LPbgPLRRVSIRR时恒压偏置：LbgPLRVSVRR时22)(PLgbPRRSVRI恒功率偏置：即匹配负载法：PLRR21PPLPRRRR困难，一般采用变化，要保持匹配有随着入射光功率变化而由于光明电阻的应用列举照相机电子快门