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1、第四章光辐射探测本讲稿第一页，共四十八页4.1.2 光电发射效应光电发射效应光电发射体的功函数光电发射条件：光电效应截止波长：本讲稿第二页，共四十八页 光电导器件就是把光生载流子引起的电阻变化作为电信号进行检测的器件。在没有光照的时候电阻非常大（可达M欧），有光照的时候电阻下降到K欧以下。光电导器件可以分为本征型本征型和掺杂型掺杂型两种。掺杂型的光电导器件主要用作红外线检测用的光接收器件用。4.1.3 光电导器件光电导器件本讲稿第三页，共四十八页本讲稿第四页，共四十八页光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件：满足如下条件：是禁带宽度是禁带宽度是
2、杂质能带宽度是杂质能带宽度光敏电阻光敏电阻本讲稿第五页，共四十八页机理：机理：光照射将引起半导体中的电子和空穴增加，电子和光照射将引起半导体中的电子和空穴增加，电子和 空穴的增加导致了空穴的增加导致了电导率电导率的增加。的增加。【1本征型光电导器件的工作原理】本征型光电导器件的工作原理】半导体载流子的迁移率半导体载流子的迁移率半导体的电导率：半导体的电导率：半导体的电导：半导体的电导：本征型导带禁带价带本讲稿第六页，共四十八页其中，其中，q为电子电荷大小；为电子电荷大小；、为电子和空穴的迁移率；为电子和空穴的迁移率；分别为电子和空穴产生的速率。分别为电子和空穴产生的速率。电导率的变化，引起通过
3、其的电流大小的变化。电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。u为加在器件两端的电压。为加在器件两端的电压。在光照情况下，光生载流子率分别为：在光照情况下，光生载流子率分别为：和和则：本讲稿第七页，共四十八页带入可得：带入可得：电流增益：电流增益：N型半导体型半导体本讲稿第八页，共四十八页 Cds和CdSe这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响应速度不快，约几十毫秒。CdS常用于照相机或专门的测光表中。而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度
4、快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用。【2 光敏电阻材料】光敏电阻材料】1）Cds和和CdSe本讲稿第九页，共四十八页 此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导体：HgCdTe；掺杂型的：Ge：Au、Ge：Zn、Si：Ga等。2）PbS 和和 PbSe 在波长范围为 的近红外线范围内应用。这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，可在室温下使用，所以被广泛地应用。本讲稿第十页，共四十八页【3应用】应用】简单的暗激发光控开关 本讲稿第十一页，共四十八页精密的暗激发光控开关 本讲稿第十二页，共四十八页 光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光接收器光电二极管和光电导器
5、件都是利用内光电效应的光接收器件，所不同的是：光电二极管是利用件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐射作用下产结在光辐射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用光生载流子引起生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏压上而被检测出来。的电流变化作为了电信号附加在外部偏压上而被检测出来。主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于二极管而主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于二极管而言，由于它利用的是言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往往使用反向电压。结的内部电场，所以往往使用反向电压。4.2 光伏效应光伏效应本讲稿第十三页，共
6、四十八页【1结构与符号】结构与符号】本讲稿第十四页，共四十八页光照光照零偏零偏pn结产生开路电压的效结产生开路电压的效应应光照光照反偏反偏光伏效应光伏效应光电池光电池光电信号是光电流光电信号是光电流 结型光电探测结型光电探测器的工作原理器的工作原理光电二极管光电二极管 本讲稿第十五页，共四十八页 一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移漂移和扩散扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。载流子的输运载流子的输运扩散与漂移扩散与漂移 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。（1）扩散）扩散【2光生伏特效应】光生伏特效应】本讲稿第十六页，共
7、四十八页（2）漂移）漂移载流子在外电场外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。讨论漂移运动的重要参量讨论漂移运动的重要参量：迁移率（电子迁移率 ，空穴迁移率 ），的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。本讲稿第十七页，共四十八页 上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。本讲稿第十八页，共四十八页光注入，非平衡载流子扩散示意图光注入，非平衡载流子扩散示意图本讲稿第十九页，共四十八页 在电场
8、中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献。对于漂移对于漂移对于扩散对于扩散 在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。本讲稿第二十页，共四十八页电中性的P型半导体 电中性N型半导体在内电场的作用下，载流子产生漂移，但随着载流子运动的进行，界面间电场的增高，反过来促使漂移运动加强，这一对立运动在一定温度和条件下达到平衡。从而形成稳定的内电场。空穴 电子 积累负电荷 积累正电荷 扩散内电场 电子 空穴漂移1）内电场的形成）内电场的形成【3 PN结光伏效应的产生】结光伏效应的产生】本讲稿第二十一页，共四十八
9、页 当光照射光电二极管pn结部位时，只要入射光的能量 大于半导体禁带宽度时，就产生本征激发，激发便产生电子-空穴对，P区产生的光生空穴，区产生的光生空穴，N区产生的光生电子区产生的光生电子由于受到pn结的阻挡作用，不能通过结区。而在内电场的作用下，P区中的电子驱向N区，空穴驱向P区。这样在P区就积累了多余的空穴，N区积累了多余的电子。从而产生了附加的与内电场相反的电场。该附加电场对于外电路来说，将产生由P到N方向的电动势。当外接电路时，将有光电流通过，这就是光伏效应光伏效应。2）附加电场的形成）附加电场的形成本讲稿第二十二页，共四十八页图4-3 障层光电效应原理 当光照PN结端面时，由于光子的
10、入射深度有限，不会得到好的效果，实际的光伏效应器件都制成薄P型或N型，入射光垂直于结表面入射，从而增加了光伏效应的效率。本讲稿第二十三页，共四十八页【光伏探测器等效电路】【光伏探测器等效电路】本讲稿第二十四页，共四十八页图4-5 光电二极管的电压-电流特性光照下的伏安特性本讲稿第二十五页，共四十八页4.2.1光电二极管光电二极管 反偏反偏电压电压pn结光伏探测器结光伏探测器光导工作模式光导工作模式 光电二极管光电二极管 常见的光电二极管有：常见的光电二极管有：Si 光电二极管，光电二极管，PIN光电二极管光电二极管,雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）肖特）肖特基势垒光电二极管等。基势垒光
11、电二极管等。本讲稿第二十六页，共四十八页【1.Si光电二极管】光电二极管】Si光电二极管有两种：光电二极管有两种：采用采用N型单晶硅和扩散工艺获得型单晶硅和扩散工艺获得p+n结构硅光电二极管结构硅光电二极管(2CU)；采用采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得型单晶硅和磷扩散工艺获得n+p结构硅光电二极结构硅光电二极管（管（2DU）。一律采用反偏。一律采用反偏。（1）结构原理）结构原理本讲稿第二十七页，共四十八页p+n结构硅光电二极管结构硅光电二极管(2CU)本讲稿第二十八页，共四十八页n+p结构硅光电二极管（结构硅光电二极管（2DU）：）：光敏区外侧有保护环（光敏区外侧有保护环（n+环区），其目的是
12、表面层漏电流，环区），其目的是表面层漏电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的电极称为前极，侧的电极称为前极，p侧的电极称为后极，环极接电源偏置正极，也可断开，空着。侧的电极称为后极，环极接电源偏置正极，也可断开，空着。本讲稿第二十九页，共四十八页本讲稿第三十页，共四十八页（2）光谱响应特性）光谱响应特性本讲稿第三十一页，共四十八页（3）伏安特性）伏安特性（V/RV为直流负载线）为直流负载线）本讲稿第三十二页，共四十八页（4）频率响应特性）频率响应特性 频率特性好频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。适宜于快速变化的光信号探测。光电二极管的频率特性响应
13、主要由三个因素决光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻与负载电阻RL并联的结电容并联的结电容Ci所决定的电路所决定的电路时间常数。时间常数。本讲稿第三十三页，共四十八页【4.2.2.PIN硅光电二极管】硅光电二极管】要改善硅光电二极管的频率特性，由前要改善硅光电二极管的频率特性，由前面分析可知：应设法减小载流子的扩散时面分析可知：应设法减小载流子的扩散时间和结电容。间和结电容。PIN硅光电二极管就是在硅光电二极管就是在P区和区
14、和N区之间加区之间加上一本征层（上一本征层（I层）光电二极管。层）光电二极管。PIN本讲稿第三十四页，共四十八页本讲稿第三十五页，共四十八页 I层载流子浓度非常低是一个高阻层。层载流子浓度非常低是一个高阻层。在在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较强内部电结上加上反向偏压后，它将成为具有较强内部电场的区域，减小了载流子的渡越时间；场的区域，减小了载流子的渡越时间；通过加入这通过加入这个高阻层个高阻层I层，扩大了携带电信号的光生载流子的产层，扩大了携带电信号的光生载流子的产生空间，从而提高了灵敏度；生空间，从而提高了灵敏度；高阻层起的作用高阻层起的作用本讲稿第三十六页，共四十八页 PIN光电二
15、极管在光通信、光雷达和快速光光电二极管在光通信、光雷达和快速光 电自动控制领域有着广泛的应用。电自动控制领域有着广泛的应用。降低了影响频率响应的降低了影响频率响应的pn结的电容量，即结的电容量，即降低了回路的时间常数，从而提高了其频响降低了回路的时间常数，从而提高了其频响速度。实际应用中决定光电二极管的频率响速度。实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是应的主要因素是电路的时间常数电路的时间常数。合理选择负合理选择负载电阻是一个很重要的问题。载电阻是一个很重要的问题。本讲稿第三十七页，共四十八页 光电流由两部分组成：光电流由两部分组成：1）光照下，在）光照下，在I区产生电子区产生电子-空
16、空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子向穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子向n区移动区移动 而空而空穴向穴向p区移动，并以光电流形式向外流出；区移动，并以光电流形式向外流出；2）还有一部分光电流是由于光进入到了）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里，产生区里，产生了空穴，空穴进入了空穴，空穴进入I层内，同样也产生漂移层内，同样也产生漂移光电流的形成光电流的形成本讲稿第三十八页，共四十八页【4.2.3 雪崩二极管】雪崩二极管】它是利用它是利用pn结当加的反向偏压接近击穿时，发生结当加的反向偏压接近击穿时，发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子倍增的载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子倍增的
17、器件。器件。在给在给pn结加上反向电压后，它几乎不会有电流流过，结加上反向电压后，它几乎不会有电流流过，但如果反向电压增大到一定值但如果反向电压增大到一定值 后，反向电流迅速后，反向电流迅速增大的现象称为增大的现象称为pn结击穿，发生击穿时的电压称为反结击穿，发生击穿时的电压称为反向击穿电压。向击穿电压。pn结击穿结击穿本讲稿第三十九页，共四十八页增大，而是由于载流子数目的增加。到目前为止，pn击穿共有三种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。本讲稿第四十页，共四十八页 光子照射 电子-空穴对，当pn结反向电压足够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的
18、电子-空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中获得足够能量，通过碰撞再产生电子和空穴如此下去，像雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的光电流大大增加。雪崩碰撞电离原理：雪崩碰撞电离原理：产生本讲稿第四十一页，共四十八页4.2.4 温差电效应温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金属或当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。势，称为温差电动势。提高测量灵敏度提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆 地磁场的起
19、源地磁场的起源本讲稿第四十二页，共四十八页4.2.5 热释电效应热释电效应热释电材料热释电材料电介质电介质一种结晶对称性很差的压电晶体一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩即固有电偶极矩)热电体的热电体的|决定了面电荷密度决定了面电荷密度 的大小，当发生变化时，的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化面电荷密度也跟着变化|值是温度的函数值是温度的函数温度升高温度升高|减小。减小。本讲稿第四十三页，共四十八页如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等 本讲稿第四十四页，共四十八页 升高到升高到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，
20、TC称为居里温称为居里温度度 热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在一般在11000秒量级秒量级热释电探测器是一种热释电探测器是一种交流交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。本讲稿第四十五页，共四十八页4.2.6 光电转换定律光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换光电转换D探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+本讲稿第四十六页，共四十八页探测器的量子效率探测器的量子效率光电转换定律：光电转换定律：*光功率光功率P正比于光电
21、场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件(本质本质)。*光电探测器对入射功率响应光电探测器对入射功率响应(光电流光电流)一个光子探测器可视为一个电流源。一个光子探测器可视为一个电流源。本讲稿第四十七页，共四十八页光电检测器件的特点光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该般有截止波长，超过该波长，器件无响应波长，器件无响应响应波长无选择性，对响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒本讲稿第四十八页，共四十八页