光电子技术(第五章)

倍增
通道电子倍增
光电管 光电倍增管 像增强管
光
光电导效应
光电导管或称光敏电阻
电
效 应
内光 电效
应
光伏 效应
零偏的p-n结和PIN结 光电池
反偏的p-n结和PIN结 光电二极管
雪崩效应
雪崩光电二极管
肖特基势垒
肖特基势垒光电二极管
pnp结和npn结
光电三极管
2、探测机理及其分类
按光—电相互作用分类
光子直接对电子
斯托列托夫定律
当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光 电流（单位时间内反射的光子数目）与入射光的 强度成正比。
斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基
础。
①外光电效应——光电发射效应
爱因斯坦定律
如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表 面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射， 光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线 性增长，与入射光的强度无关。
利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器。
20世纪又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、 硫化铅等材料中发现光电导效应，并由此发展 了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。
②内光电效应——光电导效应
光子能量
h Eg
hc
Eg
红限波长 0 hc/ Eg
当光子波长大于λ0 时，本征型半导体器 件将不会出现光电导
产生扰动
光电效应
电磁波对材料的影 光响 热效应
温升使材料的某 些特性发生变化
波扰动效应
电磁场对材料的 扰动所引起材料
按响应区域分类
某些内特性发生 变化
光电探测器图 点 象 探 探 测 测 器 器
输出信号是敏感 区域的平均值
对敏感区域的空间 变化所产生的响应
4、光电效应
光照射到物体上使物体发射电子， 或电导率发生变化，或产生电动势，这 些因光照引起物体电学特性改变的现象， 统称为光电效应。
Eg h
c
hc Eg
1.24 Eg
入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多 长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：
光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从 基态跃迁到激发态；
受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然 要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；
到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出 形成光电子。
现象
光电流 Iso qNG
通常是多子起作用，少 子由于其寿命相对短得 多，故对光电流的贡献
不大。
ISO为直流下的短路电流，η为量子效率，Nλ为器件单位 时间吸收的波长为λ的光子数，G为器件内增益。
②内光电效应——光电导效应
Iso qNG
光电导增益G由自由载流子寿命τ和渡越
时间Tτ的比值来决定。
爱因斯坦定律
由此得到光电发射对阴极材料的要求： ➢ 对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射； ➢ 电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； ➢ 材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出； ➢ 电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射 失去的电子。
②内光电效应——光电导效应
光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的 现象。
第五章 光波的探测与解调
5.1光子探测方法
5.1.1光子探测机理的分类
1、光电探测技术
把被调制的光信号转换成电信号并将信息 提取出来的技术。
光探测过程可以形象地称为光频解调，光 探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。
2、光电探测器
效应Fra Baidu bibliotek
探测器
外光 电效 应
光阴极发射光电子
光电子 倍增极倍增
频率为时ω的 开路电压
由上面两式可知，低频时光电器件的输出基
本上与频率无关；高频时则与频率成反比，转
折点定义在ωτ为1的频率。
②内光电效应——光电导效应
光子在材料中激发出的载流子必须在外 加电压（电场）作用下方能作空间流动， 对外电路产生贡献。
这种器件必须加上偏压才能正常工作。
③内光电效应——光伏效应
光电效应方程：
E m a 1 2 m xm 2 v a h x h 0 h E
电子的 动能
入射光子 能量
逸出功
该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于 逸出功，才能发生光电发射。ν0 为产生光电发射的最低频率，即该频 率与材料的属性有关，与入射光强无关。
爱因斯坦定律
Ema x(1 2m2)vma xh -Eg
光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属 组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这 种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡 层的存在引起的势垒型光伏效应。
结区
p
n
+
-
+
-
+
-
光
+ +
-
+
-
+
-
+
-
+
-
E
反向饱和电流
暗电流 i
光电流
开路光电 压
u
短路光电 流
③内光电效应——光伏效应
光伏效应
载流子的激发——光子 载流子的分离——内建电场
光电流： I I光Id Id Is(eqV/kT 1)
Id暗电流，Is为无光照射时的反向饱和电流，V为 施加在器件上的电压(正向为正，反向为负)，k为波
耳兹曼常数，β为近似为1的常数，T为绝对温度。
③内光电效应——光伏效应
光伏器件的电流电压特性（5-5）
当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量， 使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓 度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以 通过测量负载电阻两端的电压来观察。该现象是 100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早 为人们所知的现象。
信号
+ V - 负载电阻
入射光线
②内光电效应——光电导效应
内光电效应光子激发的载流子(电子或空穴)将保留 在材料内部。
外光电效应将电子打离材料表面，外光电效应器件 通常有多个阴极，以获得倍增效果。
①外光电效应——光电发射效应
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时， 光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射 的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会 克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入 外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效 应可用两条基本定律来描述 ：
G
T
渡越时间Tτ是指多数载流子穿过器件电 极的时间，它由下式决定：
T
l2 V A
式中l为电极间的距离，µ为多数载流子的迁移率，
VA为器件所加上的偏压。
②内光电效应——光电导效应
响应速度(由多数载流子的寿命决定 )
直流短路电流
Is
Iso
122
Vs
Vso
12 2
器件开路电压
频率为时ω的 短路电流