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1、第02章光电检测技术基础2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1 1第1页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2 2导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间固体按导电能
2、力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。的半导体。的半导体。的半导体。电阻率电阻率电阻率电阻率1010-6-6 1010-3-3欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米范围内厘米范围内厘米范围内厘米范围内导体导体导体导体 电阻率电阻率电阻率电阻率10101212欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米以上厘米以上厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体半导体第2页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系
3、光信息科学与技术系光信息科学与技术系3 3半导体的特性半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。根据这一特性，可以制作热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分
4、显著的变化。（纯净（纯净（纯净（纯净SiSi在室温在室温在室温在室温下电导率为下电导率为下电导率为下电导率为5*105*10-6-6/(/(欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米厘米厘米厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为率为率为率为2/(2/(欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米厘米厘米厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。第3页，本讲稿共49页2
5、022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系4 4本征和杂质本征和杂质半导体半导体 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。子态全部空着。子态全部空着。子态全部空着。在纯净的半
6、导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。性质。性质。性质。掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为掺入的杂质可以分为施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质和和和和受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提施主杂质电离后成为不可移动的带正电
7、的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的供电子，使半导体成为电子导电的n n型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的提供空穴，使半导体成为空穴导电的提供空穴，使半导体成为空穴导电的提供空穴，使半导体成为空穴导电的p p型半导体。型半导体。型半导体。型半导体。第4页，本讲
8、稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系5 5平衡和非平衡载流子平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流平衡载流平衡载流平衡载流子子子子浓度。浓度。浓度。浓度。半
9、导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。态相偏离的状态，称为非平衡状态。态相偏离的状态，称为非平衡状态。态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再
10、是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为分载流子称为分载流子称为分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子。第5页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系6 6非平
11、衡载流子的产生非平衡载流子的产生 光注入光注入光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当当当当光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量大大大大于于于于半半半半导导导导体体体体的的的的禁禁禁禁带带带带宽宽宽宽度度度度时时时时，光光光光子子子子就就就就能能能能把把把把价价价价带带带带电电电电子子子子激激激激发发发发到到到到导导导导带带带带上上上上去去去去，产产产产生生生生电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对，使使使使导导导导带带带带比比比比平平平平衡衡衡衡时时时时
12、多多多多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法其它方法其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。：电注
13、入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。：电注入、高能粒子辐照等。第6页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系7 7载流子的输运过程载流子的输运过程扩散扩散漂移漂移复合复合第7页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系8 8半导体对光的吸收半导体对光的吸收 物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光物体受光照射，一部分光被物体反射
14、，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。被物体吸收，其余的光透过物体。被物体吸收，其余的光透过物体。被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收收、激子吸收、晶体吸收收、激子吸收、晶体吸收收、激子吸收、晶体吸收 本征吸收本征吸收本征吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁由于光子作用使电子由价带跃迁由于光子作用使电子由价带跃迁由于光子作用使电子由价带跃迁到导带到导带到导带到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只
15、有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发才能发生本征激发才能发生本征激发才能发生本征激发第8页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系9 9杂质吸收和自由载流子吸收杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能电离能电离能电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，由于杂质电离能
16、比禁带宽度小，由于杂质电离能比禁带宽度小，由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向区位于本征吸收的长波方向区位于本征吸收的长波方向区位于本征吸收的长波方向.自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间
17、跃迁而出现的非选择性带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收吸收吸收吸收第9页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1010激子和晶格吸收激子和晶格吸收指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。会降低光电转换
18、效率。第10页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1111光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电效应：物质受光照射后，材料电学性光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。产生感生电动势）现象。包括：包括：外光电效应：外光电效应：产生电子发射产生电子发射 内光电效应：内光电效应：内部电子能量状态发生变化内部电子能量
19、状态发生变化第11页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1212光电效应解释光电效应解释 物物物物质质质质在光的作用下，不在光的作用下，不在光的作用下，不在光的作用下，不经经经经升温而直接引起物升温而直接引起物升温而直接引起物升温而直接引起物质质质质 中中中中电电电电子运子运子运子运动动动动状状状状态发态发态发态发生生生生变变变变化，因而化，因而化，因而化，因而产产产产生物生物生物生物质质质质的光的光的光的光电导电导电导电导效效效效应应应应、光生伏特效光生伏特效光生伏特效光生伏特效应应应应和光和光和光和
20、光电电电电子子子子发发发发射等射等射等射等现现现现象。象。象。象。在理解上述定在理解上述定在理解上述定在理解上述定义时义时义时义时，必，必，必，必须须须须掌握以下三个要点掌握以下三个要点掌握以下三个要点掌握以下三个要点：原因：是原因：是原因：是原因：是辐辐辐辐射，而不是升温；射，而不是升温；射，而不是升温；射，而不是升温；现现现现象：象：象：象：电电电电子运子运子运子运动动动动状状状状态发态发态发态发生生生生变变变变化；化；化；化；结结结结果：果：果：果：电导电导电导电导率变化率变化率变化率变化、光生伏特、光、光生伏特、光、光生伏特、光、光生伏特、光电电电电子子子子发发发发射。射。射。射。简单
21、记为简单记为简单记为简单记为：辐辐辐辐射射射射电电电电子运子运子运子运动动动动状状状状态发态发态发态发生生生生变变变变化化化化光光光光电导电导电导电导效效效效应应应应、光生伏特效光生伏特效光生伏特效光生伏特效应应应应、光、光、光、光电电电电子子子子发发发发射。射。射。射。第12页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1313光对电子的直接作用是物质产生光光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因电效应的起因 光光光光电电电电效效效效应应应应的的的的起起起起因因因因：在在在在光光光光的的的的作作作作用用用用
22、下下下下，当当当当光光光光敏敏敏敏物物物物质质质质中中中中的的的的电电电电子子子子直直直直接接接接吸吸吸吸收收收收光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量足足足足以以以以克克克克服服服服原原原原子子子子核核核核的的的的束束束束缚缚缚缚时时时时，电电电电子子子子就就就就会会会会从从从从基基基基态态态态被被被被激激激激发发发发到到到到高高高高能能能能态态态态，脱脱脱脱离离离离原原原原子子子子核核核核的的的的束束束束缚缚缚缚，在在在在外外外外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。
23、这这这这里里里里需需需需要要要要说说说说明明明明的的的的是是是是，如如如如果果果果光光光光子子子子不不不不是是是是直直直直接接接接与与与与电电电电子子子子起起起起作作作作用用用用，而而而而是是是是能能能能量量量量被被被被固固固固体体体体晶晶晶晶格格格格振振振振动动动动吸吸吸吸收收收收，引引引引起起起起固固固固体体体体的的的的温温温温度度度度升升升升高高高高，导导导导致致致致固固固固体体体体电电电电学学学学性性性性质质质质的的的的改改改改变变变变，这这这这种种种种情情情情况况况况就就就就不不不不是是是是光光光光电电电电效效效效应应应应，而是热电效应而是热电效应而是热电效应而是热电效应。第13页，
24、本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1414光电导效应光电导效应光电导效应光电导效应 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。物理本质：物理本质：物理本质：物理本质：光照到半导体材料
25、时，晶格原子或杂质原子的束缚光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。度增加，因而导致材料电导率增大。度增加，因而导致材料电导率增大。度增加，因而导致材料电导率增大。属于内光电效应。属于内光电效应。属于内光电效应。属于内光电效应。包括：包
26、括：包括：包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。第14页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1515本征光电导效应本征光电导效应本征光电导效应本征光电导效应本征光电导效应：本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。是指本征半导体材料发生光电导效应。即：光子能量即：光子能量即：光子能量即：
27、光子能量hvhvhvhv大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度E E E Eg g g g的入射光，才能激光出电子空穴的入射光，才能激光出电子空穴的入射光，才能激光出电子空穴的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：hvE hvEg g即存在截止波长：即存在截止波长：即存在截止波长：即存在截止波长：0 0=hc/E=hc/Eg g=1.24/E=1.24/Eg g。基本概念：基本概念：
28、1、稳态光电流：、稳态光电流：稳定均匀光照稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流、暗电导率和暗电流3、亮电导率和亮电流、亮电导率和亮电流 4、光电导和光电流、光电导和光电流 第15页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1616基本公式：暗电导率暗电导率Gd=dS/L暗电流暗电流Id=dSU/L亮电导率亮电导率Gl=lS/L亮电流亮电流Il=lSU/L光电导光电导Gp=S/L光电流光电流Ip=SU/L光电导效应示意图光电导效应示意图LS本征半导体样品光U第16页，本讲稿共49页2022/10/242022/1
29、0/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1717杂质光电导效应：杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应杂质半导体禁带宽度比本征小很
30、多，因此更容易电离，响应杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用波长比本征材料要长得多。用波长比本征材料要长得多。用波长比本征材料要长得多。用E EI I表示杂质半导体的电离能，表示杂质半导体的电离能，表示杂质半导体的电离能，表示杂质半导体的电离能，则截止波长：则截止波长：则截止波长：则截止波长：0 0=hc/E=hc/EI I。特点：容易受特点：容易受特点：容易受特点：容易受热热激激激激发产发产生的噪声的影响，常工作在低温生的噪声的影响，常工作在低温生的噪声的影响，常工作在低温生的噪声的影响，常工作在低
31、温状状状状态态。常常常常用光电导材料：硅用光电导材料：硅用光电导材料：硅用光电导材料：硅SiSi、锗、锗、锗、锗GeGe及掺杂的半导体材料，以及掺杂的半导体材料，以及掺杂的半导体材料，以及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。及一些有机物。及一些有机物。及一些有机物。第17页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1818 光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电
32、导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 E E(禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限最大的响应波长，称为光电导的长波限C C ，若若C C 以以m m 计，计，E E 以以eV eV 计，则计，则C C与与EE的关系为的关系为 C=1.24/E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱
33、分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。第18页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系1919 一、光电导体的灵敏度一、光电导体的灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益度表示在一定光强下
34、光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：G=/tL：（1）式中式中为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为光生载流为光生载流子寿命；子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有 tL=l/E=l2/U （2）将式（将式（1）代入式（）代入式（2）可得）可得 G=U/l2 第19页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与
35、技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2020式中式中l为光电导体两极间距；为光电导体两极间距；为迁移率；为迁移率；E为两极间的电场强度；为两极间的电场强度；U为外加为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越长，迁移率越大。光电越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距极间距l的平方成反比。的平方成反比。如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达
36、式为的表达式为 G=(nn+pp)U/l2 式中式中n和和p分别为自由电子和空穴的寿命；分别为自由电子和空穴的寿命；n和和p分别为自由电子和分别为自由电子和空穴的迁移率。空穴的迁移率。第20页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系21212 2、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程 光电导效应是非平衡光电导效应是非平衡光电导效应是非平衡光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一载流子效应，因此存在一载流子效应，因此存在一载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导定的弛豫现象，即光
37、电导定的弛豫现象，即光电导定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳材料从光照开始到获得稳材料从光照开始到获得稳材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时定的光电流需要一定的时定的光电流需要一定的时定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也间。同样光电流的消失也间。同样光电流的消失也间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明是逐渐的。弛豫现象说明是逐渐的。弛豫现象说明是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的了光电导体对光强变化的了光电导体对光强变化的了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。反应快慢程度，称为惰性。反应快慢程度，称为惰性。反应快慢程度，称为惰性。EtOi(%)t
38、O1006337rf矩形光脉冲光光电导对光光强变化反化反应的惰性引起光的惰性引起光电流流变化的延化的延迟 当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时当输入功率按照正弦规律变化时,输输输输出光电流与光功率调制频率变化关系出光电流与光功率调制频率变化关系出光电流与光功率调制频率变化关系出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。是一低通特性。是一低通特性。是一低通特性。第21页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系22223 3、光电导增益、光电导增益、光电导增益、
39、光电导增益光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L L L L的的的的光电导体在两端加上电压光电导体在两端加上电压光电导体在两端加上电压光电导体在两端加上电压U U U U后，由光照产生的光生载流子在电场作用后，由光照产生的光生载流子在电场作用后，由光照产生的光生载流子在电场作用后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的下形成的下形成的下形成的外电流外电流外电流外电流与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部
40、形成的与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的光电流光电流光电流光电流之比。可表示为之比。可表示为之比。可表示为之比。可表示为:M=M=M=M=/drdrdrdr 为为器件的器件的器件的器件的时间时间响响响响应应 drdrdrdr为载为载流子在两极流子在两极流子在两极流子在两极间间的渡越的渡越的渡越的渡越时间时间光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面受光表面受光表面受光表面，又可减小，又可减小，
41、又可减小，又可减小电极间距离电极间距离电极间距离电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡，从而减小载流子的有效极间渡，从而减小载流子的有效极间渡，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度越时间，也利于提高灵敏度越时间，也利于提高灵敏度越时间，也利于提高灵敏度.光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即MM f=f=常数。表明，常数。表明，常数。表明，常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低
42、。反之光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。第22页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系23234 4 4 4、光电导的光谱分布、光电导的光谱分布、光电导的光谱分布、光电导的光谱分布 半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的这
43、种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如PbSPbS，PbSePbSe，PbTePbTe可以有效地利用到可以有效地利用到10m10m的红外光波段，而的红外光波段，而CdSCdS可以有效地可以有效地利用到利用到X X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。能利用光电导来比较不同波长的光强。(1)(1)本征光电导的光谱分布本征光电导的光谱分布第23页，本
44、讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2424一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线第24页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2525由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，T.S.莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸
45、收，所以光电导迅速下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。第25页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2626(2)、杂质光电导的光谱分布 半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必
46、须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。第26页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2727掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线第27页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2828 由图可以看出，光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长
47、波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是p型半导体（p型Ge：Au），从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是p型（p型Ge：Au：As），长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从p型转变为n型（n型Ge：Au：As），从曲线中可看到长
48、波限相应于0.2eV。第28页，本讲稿共49页2022/10/242022/10/24光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系光信息科学与技术系2929 光生伏特效应光生伏特效应达达到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体PNPNPNPN结，在光照的作用下，在结，在光照的作用下，在结，在光照的作用下，在结，在光照的作用下，在PNPNPNPN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生
49、伏特效应。也称光伏效应。效应。也称光伏效应。效应。也称光伏效应。效应。也称光伏效应。物理本质：物理本质：PNPN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分用下，激发出的电子空穴对打破原
50、有平衡，靠近结区电子和空穴分用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向别向别向别向N N区和区和区和区和P P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在小，相当于在小，相当于在小，相当于在PNPN加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。加了一个正向电压。即光生电动势。第29页，本讲稿共4