光電導探測器

1、光電導探測器第1頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一21.1 什么是半導體光電器件 半導體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來， 使光和電相互轉(zhuǎn)化的新型半導體器件。 利用半導體的光電效應制成的器件。是一種利用光子與電子的相互作用所具有的特性來 實現(xiàn)某種功能的半導體器件。第2頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一31.2半導體光電器件的分類 光電器件主要有利用半導體光敏特性工作的光電導器件，利用半導體光伏打效應工作的半導體發(fā)光器件以及光電池，探測器件和成像器件。 半導體發(fā)光器件 利用半導體PN結(jié)正向通電時載流子注入符合發(fā)光的器件稱為半導體發(fā)光器件發(fā)光二

2、極管半導體激光器第3頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一4 太陽能電池 第4頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一5 光電探測器 通過電子過程探測光信號的器件，即將射到它表面上的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光敏電阻： 制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銀、硫化鉛等光電二三極管： 在反向電壓下工作，在光線照射下產(chǎn)生的電子空穴對參與導電，會增大反向飽和電流和電壓。第5頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一6 成像器件 太赫茲波成像器件第6頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一71.3 半導體光電器件的應用第7頁，共

3、47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一8第二章 光電導探測器1.1 光電導探測器及光敏電阻的工作原理1.2 光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.3 光敏電阻的應用1.4 光敏電阻的特點1.5 光敏電阻的參數(shù)確定 1.5.1 光敏電阻的電流 1.5.2 光電導靈敏度 1.5.3 光電導增益 1.5.4 量子效率 1.5.5 光譜響應率與光譜響應曲線 1.5.6 光電導惰性和響應時間 1.5.7 頻率特性 1.5.8 光電特性和值 1.5.9 前歷特性伏安特性光譜響應特性第8頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1. 本征半導體 Si Si Si Si晶體結(jié)構(gòu)載流子濃度跟費米能級的

4、關(guān)系能帶圖知識準備第9頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一2. N型半導體 Si Si Si Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子 在本征半導體中摻入五價元素, 形成的半導體。載流子濃度跟費米能級的關(guān)系能帶圖第10頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一3.P 型半導體 Si Si Si SiB硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。載流子濃度跟費米能級的關(guān)系能帶圖 在本征半導體中摻入三價元素, 形成的半導體。第11頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一124. 半

5、導體中歐姆定律的微分形式：第12頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一135. 遷移率（mobility） 遷移率是用來描述半導體中載流子在單位電場下運動快慢的物理量，是描述載流子輸運現(xiàn)象的一個重要參數(shù)，也是半導體理論中的一個非常重要的基本概念。 電子遷移率 遷移率定義為： 由于載流子有電子和空穴，所以遷移率也分為電子遷移率和空穴遷移率，即：空穴遷移率 單位： cm2/(Vs) 第13頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一6. 電導率和遷移率的關(guān)系漂移運動熱運動第14頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一7. 金屬（導體）、半導體、絕

6、緣體能帶示意圖 金屬(導體)： 能帶被電子部分占滿， 在電場作用下這些電子可以導電。第15頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一中文名稱：光電導探測器英文名稱：photoconductive detector 定義：一種利用半導體材料（光敏電阻）的光電導效應制成的光探測器。第二章 光電導探測器工作原理及結(jié)構(gòu)：（以光敏電阻為例）光照前光照后變化量提高光電導效應的措施：減小n0和p0即采用禁帶寬度大的材料或者在低溫下使用。第16頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.本征型光敏電阻價帶導帶常溫光照時價帶導帶常溫無光照時Eg 要發(fā)生光電導效應，必須滿足：2.

7、雜質(zhì)型光敏電阻N價帶導帶低溫無光照時Ed低溫有光照時低溫有光照時P工作時溫度要低-防止熱激發(fā)低溫無光照時Ea價帶導帶1.1 光敏電阻的工作原理第17頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.2 光敏電阻的結(jié)構(gòu)1. 陶瓷基底 （絕緣）2. 光敏材料 （蛇形）產(chǎn)生光電流）3. 金屬電極 （引導光電流）4. 金屬管帽+塑封 （隔絕外部氣體）第18頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一220 V1.3 光敏電阻的應用舉例路燈自動點亮裝置第19頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一光電導效應-光照引起材料電導變化的現(xiàn)象稱為光電導效,存在于大多數(shù)

8、半導體和絕緣體中，是光電導器件工作的物理基礎(chǔ)。光敏電阻的特點：光譜響應范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應度偏置電壓低，工作電流大動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光光電導增益大，靈敏度高光敏電阻無極性，使用方便1.4 光敏電阻的特點第20頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一 工作電流大；？，可達數(shù)毫安。 靈敏度高；？ 光電導增益大；？大于1； 光譜響應范圍寬；？根據(jù)光電導材料的不同，光譜響應 可從紫外光、可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其紅光和 紅外輻射有較高的響應度。 所測光強范圍寬;?，既可測強光也可測弱光。 偏置電壓低，無極性之分。?1.4 光敏電阻的特點 其缺

9、點是在強光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差。光電馳豫過程較長，頻 率響應很低。第21頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5 光敏電阻的參數(shù)確定1.5.1 光敏電阻的電流（photocurrent） （ Id ？ IP ？ I ？）暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電阻值暗電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為暗電流亮電阻：光敏電阻在一定光照時的電阻值亮電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為亮電流光電導：光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導光電流：由光照產(chǎn)生的電流暗電導：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電導亮電導：光敏電阻在一定光照時的電導值第22頁，共47頁，2022年，5月

10、20日，17點37分，星期一1.4 光敏電阻的參數(shù)確定1.5.1 光敏電阻的電流 （ Id ？ IP ？ I ？） 1. 無光照時,光敏電阻的阻值很大,電路中電流很小。當光電導體上加上電壓,無光照時光電導體具有一定的熱激發(fā)載流子濃度,其相應的暗電導率為 式中：q為電子或空穴的電荷量；n0和p0分別為電子和空穴的濃度；n和p分別為電子和空穴在外電場E作用下的遷移率，表示為式中，U是端電壓，L是電壓方向半導體的長度，vn和vp是載流子漂移的速度。1.1第23頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一 2.受光照時,由光照產(chǎn)生的光生載流子迅速增加,它的阻值急劇減少。在外電場作用下光生

11、載流子沿一定方向運動,在電路中形成電流,光生載流子越多電流越大。 如果產(chǎn)生的光生載流子濃度用n和p表示。則光照穩(wěn)定情況下的電導率為1.21.2 - 1.1 得： 由于在恒定的光照下,光生載流子不斷產(chǎn)生,也不斷復合。當光照穩(wěn)定時,光生載流 子的濃度為分兩種情況討論光電流：（1）已知入射光的功率 ()；（2） 已知產(chǎn)生的電子空穴對Nout（1）已知入射光的功率 ()；式中,b=n/p為遷移比。 則電導率的變化為：第24頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一由于光照的增加, 電導率增加了,光電流也增加了。根據(jù)歐姆定律的微分形式： ，則在電場強度為E的電場的作用下,短路光電流密度為

12、1.3在光照下，電導率的增量為: 其中,g為載流子產(chǎn)生率（單位體積內(nèi)的產(chǎn)生數(shù)）,為載流子壽命。若入射的光功率為()，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系為 單位時間內(nèi)每入射一個光子所能引起的載流子數(shù)。量子效率第25頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一26根據(jù)根據(jù)歐姆定律的微分形式，還可以求出其暗電流,亮電流和光電流：如果已知在光輻射作用下, 單位時間產(chǎn)生Nout個電子-空穴對1.41.5由于光輻射激發(fā)增加的電子和空穴濃度分別為1.6（2）如果已知產(chǎn)生的電子 空穴對為Nout：第26頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.6光敏電阻的光電流 Ip與L的平方成反比

13、。1.7則亮電流為：第27頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一28知識回顧1. 電導率的表達式：5. 歐姆定律的微分形式：2. 光電導效應：3. 提高光電導效應的方法？4. 發(fā)生光電導效應的條件？6. 亮電流、暗電流、光電流第28頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一設(shè)：光電阻上的電壓為U, 光電導長度為L，橫截面積為A無光照時電流為-光照產(chǎn)生的電流為-暗電導暗電阻光照時電流為-亮電導亮電阻光電導暗電流亮電流光電流第29頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一三種量之間的關(guān)系-光電導長度對光電流的影響-第30頁，共47頁，2022年，

14、5月20日，17點37分，星期一 因此在設(shè)計光敏電阻時為了既減小電極間的距離L,又保證光敏電阻有足夠的受光面積,一般采用如圖所示的幾種電極結(jié)構(gòu)。第31頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一暗電導：亮電導：光電導：1.5.2 光電導靈敏度 （photoconduction sensitivity） 暗電流：亮電流：光電流：定義光電導靈敏度為Sg: 單位入射的光功率所產(chǎn)生的光電導或提高載流子的壽命可以提高靈敏度第32頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一光電導增益：表示長度為L的光電導體兩端加上電壓后，單位時間內(nèi)流過外電路的載流子數(shù)與內(nèi)部產(chǎn)生的載流子數(shù)比值。

15、半導體中，電子和空穴壽命相同，都可用平均壽命表示利用：稱為載流子通過極間距離L所需的有效度越時間光電導增益 （ photoconductivity ） 提高增益的措施： 增加載流子的壽命 及第33頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一入射一個光子所產(chǎn)生的電子或電子空穴對的數(shù)目 量子效率（ quantum efficiency ） 鍺的禁帶寬度為0.66ev;硅的禁帶寬度為1.12ev第34頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5.5 光譜響應率與光譜響應曲線光譜響應率：在某一特定波長下，輸出光電流（或電壓）與入射輻射能量之比。光譜響應率為：可以看出,

16、增大增益系數(shù)可得到很高的光譜響應率。提高光敏電阻的光譜響應率可以： 減小電極間距 延長載流子壽命第35頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一較長波長，吸收系數(shù)小，量子效率低波長減小，吸收系數(shù)增大，幾乎全被吸收，電光導達到峰值。波長繼續(xù)減小，吸收系數(shù)繼續(xù)增加，復合增加，壽命減低，量子效率下降。長波限：峰值一半處所對應的波長。1.5.5 光譜響應曲線第36頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5.6 光電導惰性和響應時間 對于非定態(tài)情況，例如當光照開始及撤去的瞬間有1. 弱光情況: n n0，pn0，pp0: 載流子的濃度滿足： 式中，r為電子和空穴的復

17、合率 a. 光照開始時，t=0, n=0 ：b. 撤除光照時，t=0, n=n0 ：其中：tanh x=sinh x / cosh x sinh x=(e(x)-e(-x)/2 ，cosh x=(ex+e(-x)/2 所以tanhx = (e(x)-e(-x) /(ex+e(-x) 強光下，光電導同時受到產(chǎn)生率和復合率的影響。 第39頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5.7 頻率特性輸入光正弦規(guī)律變化具有低通特性。截止頻率:輸出相對幅值下降至0.707倍，入射光的頻率。23第40頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5.8 光電特性和值弱光照

18、射時：強光照射時：直線性光電導光電流與照度關(guān)系曲線：一般情況下,光敏電阻的特性可以表示為：Ip光電流；Sg光電導靈敏度;E光照度；光照指數(shù)，它與材料和入射光強弱有關(guān)，對于 CdS、PbS等，在弱光照射下 =1，在強光照射下=1/2，一般=0.51；U 光敏電阻兩端所加的電壓；a電壓指數(shù)，歐姆接觸時a=1，非歐 姆接觸a=1.11.2；非線性E（lx）Ip第41頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一前歷效應 暗態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài),當它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢。一般情況下，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越嚴重。1.5.

19、9 前歷效應 是指光敏電阻的響應特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應有暗態(tài)前歷效應與亮態(tài)前歷效應之分。 亮態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度于工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應曲線如圖所示。一般情況第42頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一兩個明顯的特點 光敏電阻的本質(zhì)是電阻，復合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是 它的阻值是隨著入射光通量而變化的。1.5.10 伏安特性 一是在額定功率范圍內(nèi)（如50mW）光電流與所加電壓成線性，即電流 正比 于所施加外電壓。 二是當光敏電阻器上承受的功率超過它本身的額定功率后，曲線開始變彎，趨向飽和，電流并未繼續(xù)增大，即大部分光生載流子已參與為光電流。第43頁，共47頁，2022年，5月20日，17點37分，星期一1.5.11 光譜響應特性 光譜特性多用相對靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對（歸一化）關(guān)系。 歸一化：每條曲線上的縱坐標除以峰值所對應的縱坐標。 光譜響應主要由材料禁帶寬度決定，禁帶寬度越窄則對長波越敏感，但禁帶很窄時，半導體中熱激發(fā)也會使自由載流子濃度增加，使復合運動加快，靈敏度降低，因此采用冷卻靈敏面的辦法來降低熱發(fā)射，來提高靈敏