光电技术基础第四节讲义.pptxVIP

要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成的。对光辐射量的测量也是这样。 在光电子技术领域，光电探测器有它特有的含义。大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测的。即便直接转换量不是电量，通常也总是把非电量(如温度、体积等)再转换为电量来实施测量。 从这个意义上说，凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。 了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是了解光探测器工作的基础。 ;一、光热效应和光子效应概述;表2 光子效应分类;二、光热效应和光子效应的区别; 光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结??又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。 所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。 只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 ; 光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。 1、半导体材料的电导概念： 金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子。自由电子浓度n是个常量，不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构不同，在0K时，导电载流子浓度为零。在0K以上，由于热激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，在扩散过程中又有复合作用，产生与复合的电子空穴对数目相等，达到动态平衡。; 在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。 因此在半导体中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用 和 表示。 无论何种半导体材料，下式一定成立，即 式中ni是对应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度，它是温度的函数（见模电教材）。;2、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 ;光敏层每秒产生的电子数密度Ge为 ;导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为 ; 在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即 ;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 ;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tτ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态 ; 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 ;（2）在强辐射的作用下，Δnni，Δppi （1-79）式可以简化为 ;; 如果光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。 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，实现光伏效应可以是PN结、PIN结，肖特基势垒结以及异质结等。这里我们主要讨论PN结的光伏效应，它不仅最简单，而且是基础。; p-n结的基本特征是它的电学不对称性，在结区有一个从n侧指向p侧的内建电场存在。 热平衡下，多数载流子（n侧的电子和p侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（n侧的空穴和p侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过p-n结。用电压表量不出p-n结两端有电压，称为零偏状态。 如果p-n结正向偏置(p区接正，n区接负)，则有较大正向电流通过p-n结。如果p-n结反向电压偏置(p区接负，n区接正)，则有一很小的反向电流通过p-n结，这个电流在反向击穿前几乎不变; ，称为反向饱和电流。p-n结的这种伏安特性如图所示。图中还给出了p-n结电阻随偏置电压的变化曲线。p-n结的伏安特性为;在零偏条件下如果照射光的波长λ满足条件 ;吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进p-n结，一进入p-n结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子—空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应