光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第1章 第3节.ppt

1.6 光电效应 1.6.1 内光电效应 在热平衡状态载流子的产生率应与符合率相等。即 2. 光生伏特效应 3. 丹培（Dember）效应 4.光磁电效应 5. 光子牵引效应 1.6.2 光电发射效应 习题 11、12、13、15 * 光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。 本节主要讨论内光电效应与外光电效应的基本原理。 1. 光电导效应 光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。 通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图1-10所示的半导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为 1-73 光敏层每秒产生的电子数密度Ge为 （1-74） 在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和 （1-75） 导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为 （1-76） 式中，Kf为载流子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为导带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。 同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即 （1-77） （1-78） 在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即 （1-79） 下面分为两种情况讨论： （1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn Δp，式（1-79）可简化为 利用初始条件t 0时，Δn 0，解微分方程得 （1-80） 式中τ 1/Kf ni+pi 称为载流子的平均寿命。 由式（1-80）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当t τ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态 （1-81） 光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为 （1-82） 式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。 半导体材料的光电导g为 （1-83） 可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。 求导可得 由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg （1-85） 可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。 （2）在强辐射的作用下，Δn ni，Δp pi （1-79）式可以简化为 利用初始条件t 0时，Δn 0，解微分方程得 （1-86） 式中， 为强辐射作用下载流子的平均寿命。 强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为 （1-87） 抛物线关系。 进行微分得 （1-88） 在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是非线性的。 光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图1-11所示的方向运动， 形成光生伏特电压或光生电流的现象。 半导体PN结的能带结构如图1-12所示，当P型与N型半导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它 们具有如图所示的同 一费米能级EF，并在 结区形成由正负离子 组成的空间电荷区或耗尽区。 当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ的辐射作用于PN结上，则有电流I流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为 （1-89） 式中， IΦ为光生电流，ID为暗电流。 当然，从（1-89）式也可以获得IΦ的另一种定义，当U 0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短路电流，并有 （1-90） 同样，当I 0时（PN结开路），PN结两端的开路电压UOC为 （1-91） 光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为 I IΦ+ID （1-92） 光电二极管的暗电流ID一般