探測(cè)器的基本原理

關(guān)于探測(cè)器的基本原理第1頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四簡(jiǎn)介

光輻射探測(cè)器是一種由入射光輻射引起可度量物理效應(yīng)的器件。探測(cè)器分類：

光電探測(cè)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(qiáng)器。

固體光電器件：光敏電阻、光電池等等

熱探測(cè)器：熱電偶＆熱電堆、熱釋電探測(cè)器等等第2頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)第3頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四回憶.......

導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第4頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四一、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

電子器件所用的半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，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5頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1、電子的共有化運(yùn)動(dòng)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(jí)的核外電子軌道中只能容納自旋相反的兩個(gè)電子，每個(gè)電子層中可能容納軌道數(shù)是n2個(gè)、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(jìn)入能量較高的軌道。第6頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在半導(dǎo)體中，原子之間距離很近，使原子的各個(gè)殼層之間有不同程度的交疊。以硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)為例：第7頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四電子共有化運(yùn)動(dòng)的過程

殼層的交疊使原子不再局限于某一個(gè)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(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這樣原子有可能在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，晶體中電子的這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。共有化運(yùn)動(dòng)只能在原子中相似的殼層間進(jìn)行第8頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、能帶結(jié)構(gòu)(energyband)

量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。第9頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四能帶的寬度記作E

，數(shù)量級(jí)為E～eV。

若N~1023,則能帶中兩能級(jí)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(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個(gè)能帶有可能重疊。第10頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖第11頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖第12頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1.滿帶：能帶中各能級(jí)都被電子填滿?！M帶中的電子不能起導(dǎo)電作用晶體加外電場(chǎng)時(shí)，電子只能在帶內(nèi)不同能級(jí)間交換，不能改變電子在能帶中的總體分布?！M帶中的電子由原占據(jù)的能級(jí)向帶內(nèi)任一能級(jí)轉(zhuǎn)移時(shí)，必有電子沿相反方向轉(zhuǎn)換，因此，不會(huì)產(chǎn)生定向電流，不能起導(dǎo)電作用。第13頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2.空帶：所有能級(jí)均未被電子填充的能帶?！び稍拥募ぐl(fā)態(tài)能級(jí)分裂而成，正常情況下空著；·當(dāng)有激發(fā)因素(熱激發(fā)、光激發(fā))時(shí)，價(jià)帶中的電子可被激發(fā)進(jìn)入空帶；·在外電場(chǎng)作用下，這些電子的轉(zhuǎn)移可形成電流。所以，空帶也是導(dǎo)帶。第14頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3.導(dǎo)帶：被電子部分填充的能帶。…·在外電場(chǎng)作用下，電子可向帶內(nèi)未被填充的高能級(jí)轉(zhuǎn)移，因而可形成電流。

·價(jià)帶：價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶。有的晶體的價(jià)帶是導(dǎo)帶；有的晶體的價(jià)帶也可能是滿帶。價(jià)電子：原子中最外層的電子。

…第15頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四4.禁帶：在能帶之間的能量間隙區(qū)，電子不能填充?！そ麕У膶挾葘?duì)晶體的導(dǎo)電性有重要的作用?！と羯舷履軒е丿B，其間禁帶就不存在。

滿帶

空帶

禁帶E第16頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四允帶：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(gè)范圍稱為禁帶。滿帶：被電子占滿的允帶稱為滿帶。滿帶不導(dǎo)電。價(jià)帶：晶體最外層電子殼層分裂成的能帶。價(jià)電子：原子中最外層的電子。第17頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。（1）本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。第18頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)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(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。第19頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)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(duì)第20頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四自由電子帶負(fù)電荷電子流+4+4+4+4+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(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制第21頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四導(dǎo)帶：比價(jià)帶能量更高的允許帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子稱為自由電子。價(jià)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(dǎo)帶，所以導(dǎo)電性能高。鍺的禁帶寬度比硅的小，所以其導(dǎo)電性隨溫度變化比硅更顯著。第22頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四(2).雜質(zhì)半導(dǎo)體１.N型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Gｅ等，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)（impurity）元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠導(dǎo)帶處,ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。第23頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中：電子……多數(shù)載流子導(dǎo)帶價(jià)帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子第24頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

施主(donor)能級(jí)：這種雜質(zhì)能級(jí)因靠近導(dǎo)帶，雜質(zhì)價(jià)電子極易向?qū)кS遷。因向?qū)Ч?yīng)自由電子，所以這種雜質(zhì)能級(jí)稱施主能級(jí)。因攙雜(即使很少)，會(huì)使導(dǎo)帶中自由電子的濃度比同溫下純凈半導(dǎo)體空帶中的自由電子的濃度大很多倍，從而大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。其導(dǎo)電機(jī)制：雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導(dǎo)帶而形成的。

第25頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2.ｐ型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠?jī)r(jià)帶處，ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)。第26頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四導(dǎo)帶Ea價(jià)帶受主能級(jí)P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中：空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子第27頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四這種雜質(zhì)的能級(jí)緊靠?jī)r(jià)帶頂處，EA<10-1eV，價(jià)帶中的電子極易躍入此雜質(zhì)能級(jí)，使價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。這種雜質(zhì)能級(jí)因接受電子而稱受主(acceptor)能級(jí)。·這種攙雜使價(jià)帶中的空穴的濃度較純凈半導(dǎo)體的空穴的濃度增加了很多倍，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增強(qiáng)。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體稱空穴型半導(dǎo)體，或p型半導(dǎo)體。導(dǎo)電機(jī)制：主要是由價(jià)帶中空穴的運(yùn)動(dòng)形成的。第28頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)第29頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四二、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(dòng)的晶體中獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中出現(xiàn)自由空穴。復(fù)合：在熱激發(fā)的同時(shí)也有電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶并向晶格放出能量，這就是電子空穴的復(fù)合。在一定溫度下激發(fā)和復(fù)合形成平衡，我們稱為熱平衡。第30頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1、能級(jí)密度指在導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)單位體積，單位能量能級(jí)數(shù)目，用N(E)表示。導(dǎo)帶內(nèi)的能級(jí)密度：價(jià)帶內(nèi)的能級(jí)密度：N(E)為在電子能量E處的能級(jí)密度。h為普朗克常數(shù)。第31頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、費(fèi)米能級(jí)＆電子占據(jù)率電子遵循費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。能量為E的一個(gè)獨(dú)立的電子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為第32頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

EF稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。EF是一個(gè)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(jì)分布就完全確定。第33頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四費(fèi)米分布函數(shù)的特性當(dāng)T=0K時(shí)：若E<EF,則f(E)=1

若E>EF,則f(E)=0

即在絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)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(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。第34頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四當(dāng)T>0K時(shí)：若E<EF,則f(E)>1/2若E=EF,則f(E)=1/2若E>EF,則f(E)<1/2上述結(jié)果說明：當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)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(fèi)米能級(jí)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(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。第35頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四EF的意義:EF的位置比較直觀地反映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標(biāo)志了電子填充能級(jí)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36頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在強(qiáng)p型中，導(dǎo)帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少，所以可以說，強(qiáng)p型半導(dǎo)體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低。弱p型中，導(dǎo)帶和價(jià)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(dǎo)帶和價(jià)帶中載流子數(shù)一樣多，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線附近。弱n型，導(dǎo)帶及價(jià)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(qiáng)n型，能帶被電子填充水平最高，EF也最高。

EC

Ei

Ev

強(qiáng)p型弱p型本征型強(qiáng)n型弱n型第37頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在價(jià)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38頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在導(dǎo)帶中能級(jí)為E的電子濃度等于E處的能級(jí)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(fù)合過程之間處于動(dòng)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39頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在整個(gè)導(dǎo)帶中總的電子濃度是在導(dǎo)帶底Ec以上所有能量狀態(tài)上的積分。積分結(jié)果為：第40頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第41頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四將(3)(4)兩式相乘得到:由此得到：（1）在每種半導(dǎo)體中平衡載流子的電子數(shù)和空穴數(shù)乘積與費(fèi)米能級(jí)無關(guān)（2）禁帶寬度Eg越小，乘積越大，導(dǎo)電性越好（3）半導(dǎo)體中的載流子濃度隨溫度的增大而增大。第42頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四可見，電子和空穴的濃度乘積和費(fèi)米能級(jí)無關(guān)。對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積只決定于溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)；而在一定溫度下．對(duì)不同的半導(dǎo)體材料，因禁帶寬度不同而不同。

這個(gè)關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體，只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體都普通適用，在討論許多實(shí)際問題時(shí)常常引用。

還說明，對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，在一定的溫度下，np的乘積是一定的。換言之，當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，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??；反之亦然。第43頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

（1）當(dāng)材料一定時(shí)，n0、p0隨EF和T而變化；

（2）當(dāng)溫度T一定時(shí)，

n0×p0僅僅與本征材料相關(guān)。由下式可知第44頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四4、本征半導(dǎo)體的載流子濃度

本征半導(dǎo)體：滿足n0=p0=ni的半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體。在室溫（RT=300K）下：

ni（Ge）≌2.1×1013cm-3

ni（Si）≌1.3×1010cm-3

ni（GaAs）≌1.1×107cm-3

第45頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體是電中性的：

n0=p0

第46頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四即得到：CarriersDensityofIntrinsicSemiconductors第47頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四由（5）式可以見到：1、溫度一定時(shí)，Eg大的材料，ni??；

2、對(duì)同種材料，

ni隨溫度T按指數(shù)關(guān)系上升。

CarriersDensityofIntrinsicSemiconductors第48頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四5、摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度：N型半導(dǎo)體，施主原子的多余價(jià)電子易進(jìn)入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)目增多高于本征半導(dǎo)體的電子濃度，則分別為：Nd為n型半導(dǎo)體中摻入的施主原子的濃度第49頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：由上式可見，n型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央以上，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近導(dǎo)帶底。第50頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四P型半導(dǎo)體，受主原子易從價(jià)帶中獲得電子，價(jià)帶中的自由電子濃度將高于本征半導(dǎo)體中的自由空穴濃度。設(shè)摻入的受主原子的濃度為Na，則第51頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)：由上式可見，p型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央以下，摻雜濃度愈高，費(fèi)米能級(jí)離禁帶中央越遠(yuǎn)，愈靠近價(jià)帶頂。第52頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四三、半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)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(shí)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(yīng)的：n=n0+⊿np=p0+⊿p

且：⊿n=⊿p非平衡載流子：⊿n和⊿p（過剩載流子）第53頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1、材料的光吸收（1）本征吸收對(duì)于本征半導(dǎo)體在一定溫度下載流子濃度達(dá)到平衡后，再受光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量而遷移到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，這時(shí)電子＆空穴的濃度都增大，則這個(gè)過程我們稱為本征吸收。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(zhǎng)波方向存在一個(gè)界限：第54頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四（2）雜質(zhì)吸收摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷導(dǎo)帶。同樣中性受主的束縛空穴也可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，這種吸收為雜質(zhì)吸收。施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶，受主釋放束縛空穴到價(jià)帶所需的能量稱為電離能。雜質(zhì)吸收光的長(zhǎng)波限：第55頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四（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(dǎo)現(xiàn)象主要是本征吸收＆雜質(zhì)吸收。第56頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、非平衡載流子濃度光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，在本征半導(dǎo)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(duì)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(fù)合而減小。第57頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四復(fù)合的種類：間接＆直接復(fù)合。直接復(fù)合：晶格中運(yùn)動(dòng)的自由電子直接由導(dǎo)帶回到價(jià)帶與自由空穴復(fù)合。間接復(fù)合：自由電子＆自由空穴通過禁帶中的復(fù)合中心間接進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合對(duì)光生載流子濃度的影響？第58頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四光生載流子的平均生存時(shí)間稱為光生載流子的壽命。半導(dǎo)體中，光生電子空穴對(duì)的直接復(fù)合率與載流子濃度成正比。解得方程：為光照剛停時(shí)得光生載流子濃度，為載流子濃度下降得衰減系數(shù)。第59頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四四、載流子得擴(kuò)散與漂移1、擴(kuò)散當(dāng)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(shí)電子將從濃度高得點(diǎn)向濃度低得點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，是自己在晶體中重新達(dá)到均勻分布，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。第60頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四單位面積得電流稱為擴(kuò)散電流，正比于光生載流子得濃度梯度。第61頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、漂移在外電場(chǎng)作用下，電子向正極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)極方向運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為漂移。在電場(chǎng)中，漂移產(chǎn)生得電子（空穴）電流密度矢量為：第62頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四當(dāng)擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在得時(shí)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63頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3.2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)的分類：1、內(nèi)光電效應(yīng)：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(dǎo)率變化和電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件有兩大類：光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)的兩大器件。含有光敏電阻，SPRITE探測(cè)器、光電池、光電二極管、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等。

第64頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

2、外光電效應(yīng)：當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，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(yīng)。外光電效應(yīng)制成的器件有：光電管，光電倍增管等。第65頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四一、光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受照時(shí)，由于對(duì)光子得吸收引起載流子濃度得增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。材料對(duì)光得吸收有本征型和非本征型兩種。第66頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四本征型：光子能量大于材料禁帶寬度時(shí)，把價(jià)帶中得電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率得增加，即本征型光電效應(yīng)。非本征型：若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶或從價(jià)帶躍遷到受主能級(jí)，產(chǎn)生光生自由電子或空穴，從而增加材料得電導(dǎo)率，即非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。第67頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1、光電流材料樣品兩端涂有電極，加載一定得弱電場(chǎng)，在樣品的垂直方向加上均勻的光照，入射功率為常數(shù)時(shí)，所得到的光電流為穩(wěn)態(tài)光電流。第68頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四無光照時(shí)，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(dǎo)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Δn和Δp表示。光照穩(wěn)定的條件下的電導(dǎo)率為：附加的電導(dǎo)率稱之為光電導(dǎo)率，能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)材料。第69頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四令：則：

b為遷移比。光電導(dǎo)靈敏度定義為單位入射光輻射功率所產(chǎn)生的光電導(dǎo)率。光電導(dǎo)靈敏度表達(dá)式第70頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四可見，要制成光電導(dǎo)率高的器件，應(yīng)該使n0和P0有較小數(shù)值，因此光電導(dǎo)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71頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四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Φs，載流子產(chǎn)生率與光功率的關(guān)系：第72頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第73頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、響應(yīng)時(shí)間（1）光電導(dǎo)馳豫過程光電導(dǎo)材料從光照開始獲得穩(wěn)定的光電流學(xué)要一定的時(shí)間，當(dāng)光照停止后光電流逐漸消失，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)馳豫現(xiàn)象。（2）上升響應(yīng)時(shí)間光生載流子濃度上升到穩(wěn)態(tài)值的63％所需的時(shí)間為光電探測(cè)器上升響應(yīng)時(shí)間。此時(shí)光生載流子濃度：第74頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四（3）下降時(shí)間光照停止以后光生載流子下降到穩(wěn)定值的37％時(shí)所需要的時(shí)間為下降時(shí)間。此時(shí)光生載流子濃度的變化為：第75頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四光電導(dǎo)材料在弱光照時(shí)，表現(xiàn)為線性光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率成正比。而在強(qiáng)光照時(shí)表現(xiàn)為拋物線光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與入射光功率的平方根成正比，定義其上升＆下降時(shí)間，相當(dāng)于上升到穩(wěn)態(tài)值的76％，下降到穩(wěn)態(tài)值的50％。第76頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

影響光譜響應(yīng)有兩個(gè)主要因素：光電導(dǎo)材料對(duì)各波長(zhǎng)輻射的吸收系數(shù)和表面復(fù)合率。響應(yīng)有一峰值，而無論向長(zhǎng)波或短波方向，響應(yīng)都會(huì)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(zhǎng)波長(zhǎng)上，材料吸收少，吸收系數(shù)很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，復(fù)合率小，一部分輻射會(huì)穿過材料，因此靈敏度低。第77頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四

隨著波長(zhǎng)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(dǎo)率達(dá)到峰值。一般峰值靠近長(zhǎng)波限，實(shí)際定義長(zhǎng)波限為峰值一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)一步減小時(shí)，吸收系數(shù)進(jìn)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(fù)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78頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四二、p-n結(jié)光伏效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指：當(dāng)兩種半導(dǎo)體材料或金屬/半導(dǎo)體相接觸形成勢(shì)壘，當(dāng)外界光照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢(shì)壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象.

利用光生伏特效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做勢(shì)壘型光電探測(cè)器。第79頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四1、半導(dǎo)體pn結(jié)在p型半導(dǎo)體內(nèi)部，空穴濃度高，費(fèi)米能級(jí)位置相對(duì)較低。在n型半導(dǎo)體內(nèi)部，電子濃度高，費(fèi)米能級(jí)位置相對(duì)較高。平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級(jí)Ef處在同一高度上。結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)使p區(qū)相對(duì)于n區(qū)具有負(fù)電位，使結(jié)區(qū)造成了能帶彎曲，形成p－n結(jié)勢(shì)壘，阻擋多數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)。第80頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第81頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第82頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、p－n結(jié)的電流電壓特性Pn結(jié)的主要特性是整流效應(yīng)，即單向?qū)щ娦?。正向偏置：p區(qū)接正，n區(qū)接負(fù)。此時(shí)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(fù)。隨著電壓的增加，電流趨向飽和。第83頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四（1）正向偏置pn結(jié)的正向電流由p邊界的電子擴(kuò)散電流和n邊界的空穴擴(kuò)散電流組成。第84頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第85頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四（2）反相偏置施加電壓的方向和內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同，使勢(shì)壘的高度增加，空間電荷區(qū)加寬。漂移電流占主要地位。

第86頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3、pn結(jié)光伏效應(yīng)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(chǎng)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(duì)被PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)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區(qū)將積累空穴，產(chǎn)生了一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，于是在P區(qū)和N區(qū)之間造成光生電勢(shì)差；

第87頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四如果光照保持不變，積累過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而給出一個(gè)與光照度相應(yīng)的穩(wěn)定的電勢(shì)差，稱為光生電動(dòng)勢(shì)，光強(qiáng)越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢(shì)也就越大。積累的光生載流子部分地補(bǔ)償了平衡PN結(jié)的空間電荷，引起了PN結(jié)勢(shì)壘高度降低。電子空穴的移動(dòng)使p區(qū)的電勢(shì)高于n區(qū)的電勢(shì)，相當(dāng)于pn結(jié)上加了正向偏置。

第88頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四第89頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四PN結(jié)中有三種電流：擴(kuò)散電流、漂移電流、光生電流。光生電流與漂移電流方向相同，而擴(kuò)散電流方向相反。把擴(kuò)散電流和漂移電流定義為結(jié)電流Ij。結(jié)電流=擴(kuò)散電流－漂移電流。第90頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四外電路的電流：若外電路短路，外電壓為0，則短路電流Isc：當(dāng)開路時(shí)，外電路電流為0，開路電壓Voc第91頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四三、光電子發(fā)射效應(yīng)1、光電發(fā)射定律斯托列托夫定律：當(dāng)入射光的頻率或頻譜成份不變時(shí)，飽和光電流(即單位時(shí)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92頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四愛因斯坦定律：光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

Em——光電子的最大動(dòng)能；

——與金屬等材料有關(guān)的常數(shù)，實(shí)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93頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四在T=0K時(shí)，當(dāng)光子能量，即時(shí)，光電子最大動(dòng)能隨光子能量增加而線性增加，在入射光頻率低于或波長(zhǎng)大于時(shí)，不論光照強(qiáng)度如何，以及照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。稱為長(zhǎng)波閾值或紅閾波長(zhǎng)。當(dāng)然，在常溫下，在長(zhǎng)波閾附近有一拖尾，但基本上認(rèn)為滿足愛因斯坦公式。

第94頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四2、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(shì)壘作用所做的功。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(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞而損失部分能量；(3)到達(dá)表面的電子克服位壘而逸出。第95頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四半導(dǎo)體光電發(fā)射半導(dǎo)體光電發(fā)射的量子效率遠(yuǎn)高于金屬。而且探測(cè)響應(yīng)寬，尤其在紅外探測(cè)是有不可替代的地位，在紅外探測(cè)、夜視、地物勘探等等方面具有越來越重要的作用。對(duì)半導(dǎo)體光電發(fā)射的物理過程歸納為三步：(1)半導(dǎo)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(dǎo)帶）上；(2)這些被激電子在向表面運(yùn)動(dòng)的過程中受到散射而損失掉一部分能量；(3)到達(dá)表面的電子克服表面電子親和勢(shì)EA而逸出。第96頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四本征半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射逸出功W熱為真空能級(jí)E0與費(fèi)米能級(jí)Ef之差。W熱＝E0－Ef＝1/2Eg＋EA光電發(fā)射逸出功W光：在絕對(duì)零度時(shí)光電子逸出表面所需的最低能量W光＝Eg＋EA第97頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四對(duì)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(jià)帶頂附近，半導(dǎo)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(jí)躍入導(dǎo)帶，而沒有足夠能量克服電子親和勢(shì)而逸入真空。第98頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四只有當(dāng)，則電子吸收光子能量后才能克服禁帶躍入導(dǎo)帶并逸出?！郋A+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(gè)最小能量對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為閾值波長(zhǎng)(稱或長(zhǎng)波限)。第99頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3、閾值波長(zhǎng)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(zhǎng)（長(zhǎng)波限）。第100頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四3.3探測(cè)器中的噪聲一、噪聲的概念探測(cè)器輸出的光電信號(hào)并不平坦，而是在平均值上下隨機(jī)的起伏，這種隨機(jī)的瞬間的幅度不能預(yù)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(shí)際可測(cè)的，是確定的正值。第101頁(yè)，共112頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)55分，星期四根據(jù)噪聲的功率譜與頻率的關(guān)系，分為兩種噪聲：