光电检测技术基础PPT课件
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▪ 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
29.12.2020
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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 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光 谱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跃迁而出 现的非选择性吸收
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杂质光电导效应：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，产生 自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。
导效应、光生伏特效应、光电子发射。
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光对电子的直接作用是物质产生光 电效应的起因
▪ 光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的 电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时， 电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束 缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效 应。
时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n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
时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
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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 浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度， 称为平衡载流子浓度。
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5
非平衡载流子的产生
▪ 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。
▪ 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价 带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比 平衡时多出一部分电子，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。
▪ 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：电注入、高能粒子辐照等。
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载流子的输运过程
▪ 扩散 ▪ 漂移 ▪ 复合
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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 流子吸收、激子吸收、晶体吸收
▪ 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带
▪ 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
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3
本征和杂质半导体
▪ 本征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 导带中的量子态全部空着。
▪ 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。
▪ 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 ▪ 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同
外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
29.12.2020
.来自百度文库
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光电效应解释
▪ 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中 电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效 应、光生伏特效应和光电子发射等现象。
▪ 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： ▪ 原因：是辐射，而不是升温； ▪ 现象：电子运动状态发生变化； ▪ 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 ▪ 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电
▪ 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作 用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温 度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不
是光电效应，而是热电效应。
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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：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质
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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 能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴 的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至 会降低光电转换效率。
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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 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。 包括：
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，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。
属于内光电效应。
包括：
本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。
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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。
即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电 子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：
▪ 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 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
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2
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。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。（纯
净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一 的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
hv>Eg 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。
基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 3、亮电导率和亮电流
2、暗电导率和暗电流 4、光电导和光电流
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基本公式：
光
本征半导体样品
S
L
U
光电导效应示意图
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暗电导率Gd=σdS/L 暗电流Id= σdSU/L 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流Il= σlSU/L 光电导Gp= ΔσS/L 光电流Ip= ΔσSU/L
第二章 光电检测技术基础
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1
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。 ▪ 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。 ▪ 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 ▪ 电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体 ▪ 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
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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 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光 谱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跃迁而出 现的非选择性吸收
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杂质光电导效应：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，产生 自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。
导效应、光生伏特效应、光电子发射。
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光对电子的直接作用是物质产生光 电效应的起因
▪ 光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的 电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时， 电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束 缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效 应。
时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n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
时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
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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 浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度， 称为平衡载流子浓度。
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非平衡载流子的产生
▪ 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。
▪ 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价 带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比 平衡时多出一部分电子，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。
▪ 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：电注入、高能粒子辐照等。
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载流子的输运过程
▪ 扩散 ▪ 漂移 ▪ 复合
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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 流子吸收、激子吸收、晶体吸收
▪ 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带
▪ 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
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本征和杂质半导体
▪ 本征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 导带中的量子态全部空着。
▪ 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。
▪ 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 ▪ 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同
外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
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.来自百度文库
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光电效应解释
▪ 物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中 电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效 应、光生伏特效应和光电子发射等现象。
▪ 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： ▪ 原因：是辐射，而不是升温； ▪ 现象：电子运动状态发生变化； ▪ 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 ▪ 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电
▪ 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作 用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温 度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不
是光电效应，而是热电效应。
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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：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质
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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 能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴 的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至 会降低光电转换效率。
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10
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 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。 包括：
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，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。
属于内光电效应。
包括：
本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。
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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。
即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电 子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：
▪ 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 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
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2
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。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。（纯
净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一 的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
hv>Eg 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。
基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 3、亮电导率和亮电流
2、暗电导率和暗电流 4、光电导和光电流
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基本公式：
光
本征半导体样品
S
L
U
光电导效应示意图
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暗电导率Gd=σdS/L 暗电流Id= σdSU/L 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流Il= σlSU/L 光电导Gp= ΔσS/L 光电流Ip= ΔσSU/L
第二章 光电检测技术基础
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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。 ▪ 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。 ▪ 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 ▪ 电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体 ▪ 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体