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1、第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础1第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早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。发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电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
2、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，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导有一个最大的响应波长，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，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。上一节上一节上一节上一节第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础2第第
3、三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 一、光电导体的灵敏度一、光电导体的灵敏度一、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。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它
4、可以用光电增益的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照即定态条件下电来表示。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：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；为光生载流子寿命；为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有一般有 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 第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础3第第三三节节 光光电电导导效效应
5、应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录式中式中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为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命越长，越长，迁移率迁移率越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。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极间距而且，光电导体的灵敏度还与电极间距l的平方成反比。的平方成反比。如果在
6、光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为增益的表达式为 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分别为自由分别为自由电子和空穴的迁移率。电子和空穴的迁移率。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础4第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录二、光电导的弛豫二、光电导的弛豫二、光电导的弛豫二、光电
7、导的弛豫 光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内逐渐消失。这种现象表现了光电导对光光电导在一段时间内逐渐消失。这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，或称为响应时间。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称为惯性大；弛豫时间短，即光电导反映快，称为惯性这时称为惯性大
8、；弛豫时间短，即光电导反映快，称为惯性小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来下，一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生和复合。产生和复合。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础5第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一
9、页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况：两种情况：1、直线性光电导的弛豫过程、直线性光电导的弛豫过程（即光电导与光强呈线性关系）（即光电导与光强呈线性关系）对直线性光电导材料而言，在光强照射下，增加的电子密对直线性光电导材料而言，在光强照射下，增加的电子密度度nn（或空穴密度或空穴密度pp）与光强与光强I的关系可表示为的关系可表示为 n=I 在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿在定态的
10、情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命命，这时，对直线性光电导可得：这时，对直线性光电导可得：n/=In/=In n式式中中I In n是是以以光光子子计计算算的的入入射射光光强强（即即单单位位时时间间内内通通过过单单位位面面积积的的光光子子数数）；为为光光电电导导体体对对光光的的吸吸收收系系数数。由由此此可可知知，光光生生载流子的密度与光强成正比，电导率的增量与光强也成正比。载流子的密度与光强成正比，电导率的增量与光强也成正比。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础6第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页
11、回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 在在直直线线性性光光电电导导中中，恒恒定定光光照照下下决决定定光光电电导导上上升升规规律律的的微微分分方程方程 根根据据上上式式的的初初始始条条件件t t=0 0时时，n n=0 0，则则方方程程的的解解为为 取消光照后，决定光电导下降的微分方程为取消光照后，决定光电导下降的微分方程为 设设光光照照停停止止时时（t t=0 0），nn具具有有式式（1.1-101.1-10）所所示示的的定定态态值值n=In=In n，则上式的解为则上式的解为第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础7第第三三节节
12、 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录所以直线性光电导上升和下降曲线如图所以直线性光电导上升和下降曲线如图1.1.3-11.1.3-1所示。所示。从从上上面面分分析析可可以以看看到到，在在直直线线性性光光电电导导的的弛弛豫豫中中，光光电电流流都都按按指指数数规规律律上上升升和和下下降降。在在t t=时时，光光电电流流上上升升到到饱饱和和值值的的（1-1-1/1/e e），或或下下降降到到饱饱和和值值的的1/1/e e，上上升升和和下下降降是是对对称称的
13、的。因因此此定定义义为为光光电电流流的的弛弛豫豫时时间间。显显然然，直直线线性性光光电电导导的的弛弛豫豫时时间间与与光光强无关。强无关。图1.1.3-1直线性光电导上升和下降曲线第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础8第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录2 2、抛物线性光电导的弛豫过程、抛物线性光电导的弛豫过程（光电导与光强的平方根成正比）光电导与光强的平方根成正比）对抛物线性光电导材料，对抛物线性光电导材料，nn（或或pp
14、）与光强与光强I I的关系可表的关系可表示为示为同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比，即同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比，即 复合率复合率=b b（nn）2 2式中式中b b为比例系数，这时的定态条件为为比例系数，这时的定态条件为 由由此此可可见见，光光生生载载流流子子密密度度以以及及电电导导率率的的增增量量均均与与光光强强的的平平方方根成比例。根成比例。在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础9第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一
15、页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录利用初始条件利用初始条件t=0t=0时，时，n=0n=0，可得式（可得式（1.1-181.1-18）的解为）的解为光照取消后，决定光电导下降的微分方程为光照取消后，决定光电导下降的微分方程为利用初始条件利用初始条件t=0t=0时，从式（时，从式（1.1-201.1-20）可得解为）可得解为抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图1.1.3-21.1.3-2所示。下降所示。下降曲线是以横轴为渐进线的一条双曲线，因此称这样的下降规曲线是以横轴
16、为渐进线的一条双曲线，因此称这样的下降规律为双曲线性衰减。律为双曲线性衰减。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础10第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录在非线性光电导情况下，光在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象取决于复杂电导的弛豫现象取决于复杂的复合机理，并且上升和下的复合机理，并且上升和下降都不对称，我们可以用降都不对称，我们可以用来表示弛豫时间。光照开始来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导后，经过这段时
17、间，光电导增加到定态值的增加到定态值的tanh 1=0.75。而光照停止后，光电而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态导在这段时间内减少到定态值的一半。值的一半。图1.1.3-2抛物线性光电导的上升和下降的曲线第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础11第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 在上述值线性与抛物线性光电导中，光生载流子在上述值线性与抛物线性光电导中，光生载流子的定态值都可表示为产生率与弛豫时间的乘积。因此，的
18、定态值都可表示为产生率与弛豫时间的乘积。因此，弛豫时间愈短，则定态灵敏度愈低；弛豫时间愈长，弛豫时间愈短，则定态灵敏度愈低；弛豫时间愈长，则定态灵敏度愈高愈强。这一关系在一些光电器件，则定态灵敏度愈高愈强。这一关系在一些光电器件，如光敏电阻中都得到了证实。在实际应用中，既要求如光敏电阻中都得到了证实。在实际应用中，既要求光敏电阻的灵敏度愈高愈好，又要求弛豫时间愈短愈光敏电阻的灵敏度愈高愈好，又要求弛豫时间愈短愈好，显然这两者有一定的矛盾。因此，只能根据实际好，显然这两者有一定的矛盾。因此，只能根据实际需要，折衷地选取。需要，折衷地选取。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础12第
19、第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录三、光电导地光谱分布三、光电导地光谱分布三、光电导地光谱分布三、光电导地光谱分布 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，PbSePb
20、Se，PbTePbTe可以有效地利用到可以有效地利用到1010mm的红外光波段，而的红外光波段，而CdSCdS可以可以有效地利用到有效地利用到X X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱光的短波范围。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。分布，才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 图图1.1.3-31.1.3-3表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础13第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下
21、一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录图图1.1.3-3 1.1.3-3 一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础14第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过
22、一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不慢增加，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，存在一个明显的长波限，T.S.T.S.莫斯提出把光电导的数值降到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，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，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收，所以光电导迅速下降。在短波方面，不足以引起本征光吸收，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，自然引如果光滑曲线是等能量
23、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，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。减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础15第第三三
24、节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录2、杂质光电导的光谱分布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须大于发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必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，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。同因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导
25、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。光电导来说也微弱得多。第第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础16第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录图1.1.3-4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第一一章章光光电电信信息息技技术术物物理理基基础础17第第三三节节 光光电电导导效效应应上一页上一页上一页上一页下一页下一页下一页下一
26、页回首页回首页回首页回首页回末页回末页回末页回末页结束结束结束结束第一章第一章第一章第一章回回回回目录目录目录目录 由图可以看出，光电导在光子能量由图可以看出，光电导在光子能量0.70.7eVeV附近陡起明显，表附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（禁带宽度（0.680.68eVeV），），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继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
27、处光子的能量等于杂质的电离能。能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。量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。图图1.1.3-41.1.3-4中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金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，锗是是p p型半导体（型半导体（p p型型GeGe：AuAu），），从曲线中看到，长波限在从曲线中看到，长波限在0.050.05eVeV处。处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是p p型（型（p p型型GeGe：AuAu：AsAs），），长波限相应于长波限相应于0.150.15eVeV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从体从p p型转变为型转变为n n型（型（n n型型GeGe：AuAu：AsAs），），从曲线中可看到长波限从曲线中可看到长波限相应于相应于0.20.2eVeV。