探測器基本原理

1、關于探測器的基本原理第一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月簡介 光輻射探測器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應的器件。探測器分類： 光電探測器 真空光電器件：光電管、光電倍增管、 真空攝像管、變像管、象增強器。 固體光電器件：光敏電阻、光電池等等 熱探測器： 熱電偶熱電堆、熱釋電探測器等等第二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 半導體基礎第三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月回憶. 導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體 金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣

2、體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、半導體的結(jié)構 電子器件所用的半導體具有晶體結(jié)構，大多數(shù)是晶體材料。 晶體分為單晶和多晶。單晶：在一塊材料中原子全部按照有規(guī)則的周期性排列，這種晶體成為單晶。多晶：只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開，這種材料稱為多晶。第五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、電子的共有化運動 在孤立原子中電子遵守泡利不相容原理能量最低原理。泡利不相容原理：原子中同一能級的核外電子軌道中只能容納自旋相反的兩個電子，每個電子層中可能容納軌道數(shù)是n2

3、個、每層最多容納電子數(shù)是2n2 。能量最低原理：核外電子總是先占有能量最低的軌道，只有能量最低的軌道占滿后，電子才依次進入能量較高的軌道。 第六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在半導體中，原子之間距離很近，使原子的各個殼層之間有不同程度的交疊。以硅和鍺的共價鍵結(jié)構為例：第七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月電子共有化運動的過程 殼層的交疊使原子不再局限于某一個原子上，它可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子殼層上去，這樣原子有可能在整個晶體中運動，晶體中電子的這種運動稱為電子的共有化運動。共有化運動只能在原子中相似的殼層間進行第八張，PPT

4、共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、能帶結(jié)構(energy band) 量子力學計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。第九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月能帶的寬度記作E ，數(shù)量級為 EeV。 若N1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。一般規(guī)律： 1. 越是外層電子，能帶越寬，E 越大。 2. 點陣間距越小，能帶越寬，E 越大。 3. 兩個能帶有可能重疊。第十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖第十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2

5、022年6月原子能級分裂成能帶的示意圖第十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1.滿帶：能帶中各能級都被電子填滿。滿帶中的電子不能起導電作用 晶體加外電場時，電子只能在帶內(nèi)不同能級間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布。滿帶中的電子由原占據(jù)的能級向帶內(nèi)任一能級轉(zhuǎn)移時，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會產(chǎn)生定向電流，不能起導電作用。第十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2.空帶：所有能級均未被電子填充的能帶。由原子的激發(fā)態(tài)能級分裂而成，正常情況下空著；當有激發(fā)因素(熱激發(fā)、光激發(fā))時，價帶中的電子可被激發(fā)進入空帶；在外電場作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是

6、導帶。第十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3.導帶：被電子部分填充的能帶。在外電場作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。 價帶：價電子能級分裂后形成的能帶。 有的晶體的價帶是導帶；有的晶體的價帶也可能是滿帶。價電子：原子中最外層的電子。 第十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4.禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充。禁帶的寬度對晶體的導電性有重要的作用。若上下能帶重疊，其間禁帶就不存在。 滿帶 空帶 禁帶E第十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月允帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶。禁帶：允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，這個范

7、圍稱為禁帶。滿帶：被電子占滿的允帶稱為滿帶。滿帶不導電。價帶：晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。價電子：原子中最外層的電子。第十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 本征半導體的共價鍵結(jié)構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。（1） 本征半導體 本征半導體化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。第十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。 當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高

8、，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。第十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。 外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對第二十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月自由電子 帶負電荷 電子流+4+4+4+4

9、+4+4+4+4+4自由電子E總電流載流子空穴 帶正電荷 空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制第二十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月導帶：比價帶能量更高的允許帶稱為導帶。導帶中的電子稱為自由電子。價帶中出現(xiàn)電子的空穴稱為自由空穴。自由電子和自由空穴統(tǒng)稱為載流子。 禁帶寬度小者，電子容易躍遷到導帶，所以導電性能高。 鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導電性隨溫度變化比硅更顯著。第二十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(2). 雜質(zhì)半導體. N 型半導體四價的本征半導體 Si、G等，摻入少量五價的雜質(zhì)（impurity

10、）元素（如P、As 等）形成電子型半導體,稱 n 型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠導帶處, ED10-2eV，極易形成電子導電。該能級稱為施主（donor）能級。第二十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 n 型半導體 在n 型半導體中： 電子多數(shù)載流子導帶價帶施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴少數(shù)載流子第二十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 施主(donor)能級：這種雜質(zhì)能級因靠近導帶，雜質(zhì)價電子極易向?qū)кS遷。因向?qū)Ч杂呻娮?，所以這種雜質(zhì)能級稱施主能級。 因攙雜(即使很少)，會使導帶中自由電子的濃度比同溫下純

11、凈半導體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強了半導體的導電性能。 其導電機制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導帶而形成的。 第二十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2.型半導體四價的本征半導體Si、Ge 等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如等）形成空穴型半導體，稱 p 型半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠價帶處，ED10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導電。該能級稱受主（acceptor）能級。第二十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月導帶Ea價帶受主能級 P型半導體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導體中： 空穴多數(shù)載流子電子少數(shù)載流子第二

12、十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月這種雜質(zhì)的能級緊靠價帶頂處，EA10-1eV，價帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級，使價帶中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級因接受電子而稱受主(acceptor)能級。這種攙雜使價帶中的空穴的濃度較純凈半導體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導體的導電性能增強。這種雜質(zhì)半導體稱空穴型半導體，或p型半導體。 導電機制：主要是由價帶中空穴的運動形成的。第二十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月雜質(zhì)半導體的示意圖+N型半導體多子電子少子空穴P型半導體多子空穴少子電子少子濃度與溫度有關多子濃度與溫度無關第二十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月

13、二、熱平衡條件下的載流子的濃度載流子濃度：是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。激發(fā)：電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導帶形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。復合：在熱激發(fā)的同時也有電子從導帶躍遷到價帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的復合。 在一定溫度下激發(fā)和復合形成平衡，我們稱為熱平衡。第三十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、能級密度 指在導帶和價帶內(nèi)單位體積，單位能量能級數(shù)目，用N(E)表示。導帶內(nèi)的能級密度：價帶內(nèi)的能級密度：N(E)為在電子能量E處的能級密度。h為普朗克常數(shù)。第三十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、費米能級電子占據(jù)率電子遵

14、循費米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計分布規(guī)律。能量為E的一個獨立的電子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率為 第三十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 EF稱為費米能級或費米能量，它和溫度、半導體材料的導電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點的選取有關。 EF是一個很重要的物理參數(shù)，只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定。第三十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月費米分布函數(shù)的特性 當T=0K 時： 若EEF,則f(E)=0 即在絕對零度時，能量比費米能量小的量子態(tài) 被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子；而能量比EF大的量子態(tài)，被電

15、子占據(jù)的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒有電子，是空的。故在絕對零度時，費米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。第三十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月當T0K時：若E1/2若E=EF,則f(E)=1/2若EEF,則f(E)1/2上述結(jié)果說明： 當系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，如果量子態(tài)的能量比費米能級低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費米能級高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。而當量子態(tài)的能量等于費米能級時，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。第三十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月EF的意義: EF的位置比較直觀地反

16、映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標志了電子填充能級的水平。EF越高，說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。第三十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在強p型中，導帶中電子最少，價帶中電子也最少，所以可以說，強p型半導體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低。弱p型中，導帶和價帶電子稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，所以EF也升高了。無摻雜，導帶和價帶中載流子數(shù)一樣多，費米能級在禁帶中線附近。弱n型，導帶及價帶電子更多了，能帶被填充水平也更高， EF升到禁帶中線以上，到強n型，能帶被電子填充水平最高， EF也最高。 EC Ei Ev 強p型弱p型本征型強n型弱n型第三十七張，PPT

17、共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在價帶中，知道了電子的占據(jù)概率，可求出空穴的占據(jù)概率，也就是不被電子占據(jù)的概率：第三十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在導帶中能級為E的電子濃度等于E處的能級密度和可被電子占據(jù)的概率的乘積：3、平衡載流子濃度在一定溫度T下，產(chǎn)生過程與復合過程之間處于動態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫熱平衡狀態(tài)。 處于熱平衡狀態(tài)的載流子n和p稱為熱平衡載流子。它們保持著一定的數(shù)值。第三十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在整個導帶中總的電子濃度是在導帶底Ec以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分結(jié)果為：第四十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十一

18、張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月將(3)(4)兩式相乘得到:由此得到：（1）在每種半導體中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費米能級無關（2）禁帶寬度Eg越小，乘積越大，導電性越好（3）半導體中的載流子濃度隨溫度的增大而增大。第四十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見，電子和空穴的濃度乘積和費米能級無關。對一定的半導體材料，乘積只決定于溫度T，與所含雜質(zhì)無關；而在一定溫度下對不同的半導體材料，因禁帶寬度不同而不同。 這個關系式不論是本征半導體還是雜質(zhì)半導體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體都普通適用，在討論許多實際問題時常常引用。 還說明，對一定的半導體材料，在一

19、定的溫度下，np的乘積是一定的。換言之，當半導體處于熱平衡狀態(tài)時，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增大，空穴濃度就要減?。环粗嗳?。第四十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 （1）當材料一定時，n0、p0隨EF和T而變化； （2）當溫度T一定時， n0p0僅僅與本征材料相關。由下式可知第四十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4、 本征半導體的載流子濃度本征半導體：滿足n0=p0=ni的半導體就是本征半導體。 在室溫（RT=300K）下： ni （Ge）2.11013cm-3 ni （Si）1.31010cm-3 ni （GaAs）1.1107cm-3 第四十五

20、張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月在熱平衡態(tài)下，半導體是電中性的： n0=p0 第四十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月即得到：Carriers Density of Intrinsic Semiconductors第四十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月由（5）式可以見到：1、溫度一定時，Eg大的材料，ni?。?、對同種材料，ni隨溫度T按指數(shù)關系上升。Carriers Density of Intrinsic Semiconductors第四十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月5、摻雜半導體的載流子濃度：N型半導體，施主原子的多余價電子

21、易進入導帶，使導帶中的自由電子數(shù)目增多高于本征半導體的電子濃度，則分別為：Nd為n型半導體中摻入的施主原子的濃度第四十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月N型半導體的費米能級：由上式可見，n型半導體中的費米能級位于禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央越遠，愈靠近導帶底。第五十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月P型半導體，受主原子易從價帶中獲得電子，價帶中的自由電子濃度將高于本征半導體中的自由空穴濃度。設摻入的受主原子的濃度為Na，則第五十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月P型半導體的費米能級：由上式可見，p型半導體中的費米能級位于禁帶中央以下，摻

22、雜濃度愈高，費米能級離禁帶中央越遠，愈靠近價帶頂。第五十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、半導體中的非平衡載流子 半導體器件通過外部注入載流子或用光激發(fā)方式而使載流子濃度超過熱平衡時的濃度，這些超出部分的載流子通常稱為非平衡載流子或過剩載流子。 相應的：n=n0+n p=p0+p 且：n=p 非平衡載流子： n 和p（過剩載流子）第五十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、材料的光吸收（1）本征吸收 對于本征半導體在一定溫度下載流子濃度達到平衡后，再受光照時，價帶中的電子吸收光子能量而遷移到導帶，在價帶中留下空穴，這時電子空穴的濃度都增大，則這個過程我們稱為本征

23、吸收。要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于材料禁帶寬度，因此在長波方向存在一個界限：第五十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）雜質(zhì)吸收 摻有雜質(zhì)的半導體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷導帶。同樣中性受主的束縛空穴也可以吸收光子而躍遷到導帶，這種吸收為雜質(zhì)吸收。 施主釋放束縛電子到導帶，受主釋放束縛空穴到價帶所需的能量稱為電離能。雜質(zhì)吸收光的長波限：第五十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）其他吸收其他還有自由載流子吸收，晶格吸收等，這些吸收很大程度上是將能量轉(zhuǎn)換成熱能，增加熱激發(fā)發(fā)載流子濃度，引起光電導現(xiàn)象主要是本征吸收雜質(zhì)吸收。第五十六張，PPT

24、共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、非平衡載流子濃度 光照射半導體材料時，在本征半導體中電子吸收能量大于禁帶寬度的光子，并產(chǎn)生了電子空穴對即光生載流子。如果光照突然停止，光生載流子不再產(chǎn)生，而載流子濃度因復合而減小。第五十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月復合的種類：間接直接復合。直接復合：晶格中運動的自由電子直接由導帶回到價帶與自由空穴復合。間接復合：自由電子自由空穴通過禁帶中的復合中心間接進行復合。復合對光生載流子濃度的影響？第五十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命。半導體中，光生電子空穴對的直接復合率與載流子濃度

25、成正比。解得方程：為光照剛停時得光生載流子濃度， 為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。第五十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月四、載流子得擴散與漂移1、擴散 當材料得局部位置收到光照，材料吸收光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置得載流子濃度就比平均濃度高。這時電子將從濃度高得點向濃度低得點運動，是自己在晶體中重新達到均勻分布，這種現(xiàn)象稱為擴散。第六十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 單位面積得電流稱為擴散電流，正比于光生載流子得濃度梯度。第六十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、漂移在外電場作用下，電子向正極方向運動，空穴向負極方向運動，這種運動稱為漂移。在電場中，

26、漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度矢量為：第六十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月當擴散和漂移同時存在得時候總得電子電流密度矢量和空穴電流密度矢量分別為：總電流密度為兩者之和。第六十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 半導體的光電效應光電效應的分類：1、內(nèi)光電效應： 材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應。 內(nèi)光電效應制成的器件有兩大類：光電導和光生伏特效應的兩大器件。含有光敏電阻，SPRITE探測器、光電池、光電二極管、三極管和場效應管等。 第六十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 2、外光電效應

27、： 當光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量足夠大，它和物質(zhì)中的電子互相作用，致使電子逸出表面，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。外光電效應制成的器件有：光電管，光電倍增管等。第六十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、光電導效應 當半導體材料受照時，由于對光子得吸收引起載流子濃度得增大，因而導致材料電導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。材料對光得吸收有本征型和非本征型兩種。第六十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月本征型：光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中得電子激發(fā)到導帶，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導率得增加，即本征型光電效應。非本征型：若光子激發(fā)雜質(zhì)半導體，使電子從施

28、主能級躍遷到導帶或從價帶躍遷到受主能級，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材料得電導率，即非本征光電導效應。第六十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、光電流 材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱電場，在樣品的垂直方向加上均勻的光照，入射功率為常數(shù)時，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)光電流。第六十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 無光照時，常溫下的樣品具有一定的熱激發(fā)載流子濃度，因而樣品具有一定的暗電導率。 樣品在有光照的條件下，吸收光子產(chǎn)生光生載流子濃度用n和p表示。光照穩(wěn)定的條件下的電導率為：附加的電導率稱之為光電導率，能夠產(chǎn)生光電導效應的材料稱為光電導材料。第六十九張，PP

29、T共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月令：則： b為遷移比。光電導靈敏度定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)生的光電導率。光電導靈敏度表達式 第七十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見，要制成光電導率高的器件，應該使n0和P0有較小數(shù)值，因此光電導器件一般是由高阻材料(n0, P0較小)或者在低溫下使用(n0 ，p0較少)第七十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月下面我們看一下光電流密度的求解：首先：g為載流子產(chǎn)生率， 為壽命。若入射光功率為s，載流子產(chǎn)生率與光功率的關系：第七十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022

30、年6月2、響應時間（1）光電導馳豫過程 光電導材料從光照開始獲得穩(wěn)定的光電流學要一定的時間，當光照停止后光電流逐漸消失，這種現(xiàn)象稱為光電導馳豫現(xiàn)象。（2）上升響應時間 光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63所需的時間為光電探測器上升響應時間。此時光生載流子濃度：第七十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）下降時間 光照停止以后光生載流子下降到穩(wěn)定值的37時所需要的時間為下降時間。此時光生載流子濃度的變化為：第七十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 光電導材料在弱光照時，表現(xiàn)為線性光電導，即光電導與入射光功率成正比。 而在強光照時表現(xiàn)為拋物線光電導，即光電導與入射光功率的

31、平方根成正比，定義其上升下降時間，相當于上升到穩(wěn)態(tài)值的76，下降到穩(wěn)態(tài)值的50。第七十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 影響光譜響應有兩個主要因素：光電導材料對各波長輻射的吸收系數(shù)和表面復合率。 響應有一峰值，而無論向長波或短波方向，響應都會降低。定性分析其原因： 在材料不同深度x處獲得的光功率為P=P0(1- )。在較長波長上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，復合率小，一部分輻射會穿過材料，因此靈敏度低。第七十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 隨著波長減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導率達到峰值。一般峰值靠近

32、長波限，實際定義長波限為峰值一半處所對應的波長。 當波長進一步減小時，吸收系數(shù)進一步增加，光子能量增大，激發(fā)的光生載流子大部分靠近材料表面附近，表面處的載流子復合率增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降。靈敏度減小。第七十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、p-n結(jié)光伏效應 光生伏特效應是指：當兩種半導體材料或金屬/半導體相接觸形成勢壘，當外界光照射時，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象. 利用光生伏特效應制成的光電探測器叫做勢壘型光電探測器。 第七十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、半導體pn結(jié) 在p型半導體內(nèi)部，空穴濃度高，費米能級位置

33、相對較低。 在n型半導體內(nèi)部，電子濃度高，費米能級位置相對較高。 平衡狀態(tài)下費米能級Ef處在同一高度上。結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場使p區(qū)相對于n區(qū)具有負電位，使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成pn結(jié)勢壘，阻擋多數(shù)載流子運動。第八十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、pn結(jié)的電流電壓特性Pn結(jié)的主要特性是整流效應，即單向?qū)щ娦浴Ｕ蚱茫簆區(qū)接正，n區(qū)接負。此時電流隨電壓的增大急劇上升反向偏置：n區(qū)接正，p區(qū)接負。隨著電壓的增加，電流趨向飽和。第八十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6

34、月（1）正向偏置pn結(jié)的正向電流由p邊界的電子擴散電流和n邊界的空穴擴散電流組成。第八十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）反相偏置 施加電壓的方向和內(nèi)建電場的方向相同，使勢壘的高度增加，空間電荷區(qū)加寬。漂移電流占主要地位。 第八十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、pn結(jié)光伏效應 離PN結(jié)較近的由光產(chǎn)生的少數(shù)載流子，N區(qū)中的空穴，P區(qū)中的電子，受到內(nèi)建電場的分離，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，PN結(jié)區(qū)的光生電子-空穴對被PN結(jié)勢壘區(qū)較強的內(nèi)建電場分離，空穴被移向P區(qū)，電子被移向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)將積累電子，P

35、區(qū)將積累空穴，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，于是在P區(qū)和N區(qū)之間造成光生電勢差； 第八十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果光照保持不變，積累過程達到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個與光照度相應的穩(wěn)定的電勢差，稱為光生電動勢，光強越強，光生電動勢也就越大。積累的光生載流子部分地補償了平衡PN結(jié)的空間電荷，引起了PN結(jié)勢壘高度降低。電子空穴的移動使p區(qū)的電勢高于n區(qū)的電勢，相當于pn結(jié)上加了正向偏置。 第八十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)中有三種電流：擴散電流、漂移電流、光生電流。光生電流與漂移電

36、流方向相同，而擴散電流方向相反。把擴散電流和漂移電流定義為結(jié)電流Ij。 結(jié)電流=擴散電流漂移電流。第九十張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月外電路的電流：若外電路短路，外電壓為0，則短路電流Isc：當開路時，外電路電流為0，開路電壓Voc第九十一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、光電子發(fā)射效應1、光電發(fā)射定律斯托列托夫定律：當入射光的頻率或頻譜成份不變時，飽和光電流(即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目)與入射光的輻射通量成正比e電子電量； 光電激發(fā)出電子的量子效率； P輻射功率；P/頻率為的總的光子數(shù)。第九十二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月愛因斯坦定律：光電

37、子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光的強度無關。 Em光電子的最大動能； 與金屬等材料有關的常數(shù)，實際上就是逸出功； h普朗克常數(shù)； 材料產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率 第九十三張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 在T=0K時，當光子能量，即時，光電子最大動能隨光子能量增加而線性增加，在入射光頻率低于或波長大于時，不論光照強度如何，以及照射時間多長，都不會有光電子產(chǎn)生。稱為長波閾值或紅閾波長。 當然，在常溫下，在長波閾附近有一拖尾，但基本上認為滿足愛因斯坦公式。 第九十四張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、金屬的光電發(fā)射金屬的逸出功：克服原子核的靜電引力和偶電層的勢壘

38、作用所做的功。金屬的光電發(fā)射的物理過程可概括為三步：(1)金屬吸收光子，體內(nèi)的電子被激發(fā)到高能態(tài)；(2) 被激電子向表面運動，在運動過程中因碰撞而損失部分能量；(3) 到達表面的電子克服位壘而逸出。第九十五張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月半導體光電發(fā)射 半導體光電發(fā)射的量子效率遠高于金屬。而且探測響應寬，尤其在紅外探測是有不可替代的地位，在紅外探測、夜視、地物勘探等等方面具有越來越重要的作用。對半導體光電發(fā)射的物理過程歸納為三步：(1) 半導體中的電子吸收入射光子的能量而被激發(fā)到高能態(tài)（導帶）上；(2) 這些被激電子在向表面運動的過程中受到散射而損失掉一部分能量；(3) 到達表面

39、的電子克服表面電子親和勢EA而逸出。第九十六張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月本征半導體的熱電子發(fā)射逸出功W熱為真空能級E0與費米能級Ef之差 。W熱 E0Ef1/2EgEA光電發(fā)射逸出功W光：在絕對零度時光電子逸出表面所需的最低能量 W光EgEA第九十七張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 對于大多數(shù)情況，能夠有效吸收光子的電子高密度位置是在價帶頂附近，半導體受光照后能量轉(zhuǎn)換公式為 則電子吸收光子能量后只能克服禁帶能級躍入導帶，而沒有足夠能量克服電子親和勢而逸入真空。第九十八張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月只有當 ，則電子吸收光子能量后才能克服禁帶躍入導帶

40、并逸出。 EA+Eg稱為光電發(fā)射的閾能量。Eth=EA+Eg，光子的最小能量必須大于光電發(fā)射閾值，這個最小能量對應的波長稱為閾值波長(稱或長波限)。第九十九張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、閾值波長能夠使電子逸出物質(zhì)表面的光子最小能量稱為閾值波長（長波限）。第一百張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 探測器中的噪聲一、噪聲的概念 探測器輸出的光電信號并不平坦，而是在平均值上下隨機的起伏，這種隨機的瞬間的幅度不能預先知道的起伏稱為噪聲。 通常用均方噪聲來表示噪聲值的大小，噪聲電流和噪聲電壓代表了單位電阻上所產(chǎn)生的功率，它是實際可測的，是確定的正值。第一百零一張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)噪聲的功率譜與頻率的關系，分為兩種噪聲： 一是功率譜大小與頻率無關的噪聲，稱為白噪聲； 另一種噪聲是功率譜與1/f成正比，稱為1/f噪聲。第一百零二張，PPT共一百一十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、