第二章 光电检测技术基础
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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 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. 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 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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光电导效应 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光 来自百度文库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 光照到半导体材料时，
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。 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。
光信息科学与技术系
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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 光电效应的起因： 在光的作用下， 电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时， 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， 电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束 在外电场作用下参与导电， 缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效 应。 这里需要说明的是， 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作 而是能量被固体晶格振动吸收， 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， 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， 是光电效应，而是热电效应。
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一、光电导体的灵敏度
灵敏度通常指的是在一定条件下， 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电 由于各种器件使用的范围及条件不一致， 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。 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G来表示 来表示。 的强弱。它可以用光电增益 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 = βτ/ tL ： （1） ） 式中β为量子产额 为量子产额， 式中 为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数 为光生载流子寿命； ；τ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 为光生载流子寿命 ，一般有 tL = l /µE = l2 /µU （2） ） 将式（ ）代入式（ ） 将式（1）代入式（2）可得 G = βτµU/l2
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： 外光电效应：产生电子发射 外光电效应： 内光电效应： 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
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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 物质在光的作用下， 电子运动状态发生变化， 电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效 光生伏特效应和光电子发射等现象。 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： 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； 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 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。 率变化、 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→ 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电 导效应、光生伏特效应、光电子发射。 导效应、光生伏特效应、光电子发射。
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E 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： hv>Eg 即存在截止波长：λ 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。
常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材 用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材
料，以及一些有机物。
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光电导效应指固体受光照而改变其电导率。 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 (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) ΔE (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光 电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λC ， 若 电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λ ΔE的关系为 λC 以μm 计，ΔE 以eV 计，则λC与ΔE的关系为 λC = 1.24 / ∆E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度， 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。
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。
其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 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 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带 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
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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。 称为平衡载流子浓度。 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。 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
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式中l为光电导体两极间距； 为迁移率 为迁移率； 为两极间的电场强度 式中 为光电导体两极间距；µ为迁移率；E为两极间的电场强度 为光电导体两极间距 为外加电源电压。 ；U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命 越 为外加电源电压 可知，光电导体的非平衡载流子寿命τ越 迁移率µ越大 光电导体的灵敏度（光电流或光电增益） 越大。 长，迁移率 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l的平方成反比 的平方成反比。 越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距 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， 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 G = β(τnµn +τpµp )U/l2 式中τ 分别为自由电子和空穴的寿命； 式中 n和τp分别为自由电子和空穴的寿命；µn和µp分别为自由 电子和空穴的迁移率。 电子和空穴的迁移率。
本征半导体样品 L
S
U
光电导效应示意图
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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。 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E 响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体 的电离能，则截止波长：λ 的电离能，则截止波长：λ0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在 低温状态。
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。 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、 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。 者之间的半导体。 电阻率10 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 欧姆•厘米范围内——导体 电阻率10 欧姆•厘米以上——绝缘体 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 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
基本概念： 基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 、稳态光电流： 3、亮电导率和亮电流 、
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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： 基本公式：
光
暗电导率G 暗电导率 d=σdS/L 暗电流I 暗电流 d= σdSU/L 亮电导率G 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流I 亮电流 l= σlSU/L 光电导G 光电导 p= ∆σS/L 光电流I 光电流 p= ∆σSU/L
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 Si在室温下电导率为 在室温下电导率为5*10 /(欧姆 厘米) 欧姆• 的杂质时，电导率为2 /(欧姆 厘米)) 欧姆• 的杂质时，电导率为2 /(欧姆•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、 磁等作用的影响。
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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。 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， 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， 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。 平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。
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本征和杂质半导体 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。 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。 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 时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n 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 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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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 半导体电阻温度系数一般是负的， 根据这一特性，可以制作热电探测器件。 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 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。
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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 光电导效应、
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 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. 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 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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光电导效应 光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光 来自百度文库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 光照到半导体材料时，
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。 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。
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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 光电效应的起因： 在光的作用下， 电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时， 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， 电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束 在外电场作用下参与导电， 缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效 应。 这里需要说明的是， 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作 而是能量被固体晶格振动吸收， 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， 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， 是光电效应，而是热电效应。
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一、光电导体的灵敏度
灵敏度通常指的是在一定条件下， 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电 由于各种器件使用的范围及条件不一致， 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。 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G来表示 来表示。 的强弱。它可以用光电增益 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 = βτ/ tL ： （1） ） 式中β为量子产额 为量子产额， 式中 为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数 为光生载流子寿命； ；τ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 为光生载流子寿命 ，一般有 tL = l /µE = l2 /µU （2） ） 将式（ ）代入式（ ） 将式（1）代入式（2）可得 G = βτµU/l2
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： 外光电效应：产生电子发射 外光电效应： 内光电效应： 内光电效应：内部电子能量状态发生变化
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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 物质在光的作用下， 电子运动状态发生变化， 电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效 光生伏特效应和光电子发射等现象。 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： 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； 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 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。 率变化、 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→ 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电 导效应、光生伏特效应、光电子发射。 导效应、光生伏特效应、光电子发射。
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E 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： hv>Eg 即存在截止波长：λ 即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。
常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材 用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材
料，以及一些有机物。
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光电导效应指固体受光照而改变其电导率。 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 (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) ΔE (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光 电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λC ， 若 电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λ ΔE的关系为 λC 以μm 计，ΔE 以eV 计，则λC与ΔE的关系为 λC = 1.24 / ∆E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度， 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。
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。
其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 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 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带 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
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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。 称为平衡载流子浓度。 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。 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
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式中l为光电导体两极间距； 为迁移率 为迁移率； 为两极间的电场强度 式中 为光电导体两极间距；µ为迁移率；E为两极间的电场强度 为光电导体两极间距 为外加电源电压。 ；U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命 越 为外加电源电压 可知，光电导体的非平衡载流子寿命τ越 迁移率µ越大 光电导体的灵敏度（光电流或光电增益） 越大。 长，迁移率 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l的平方成反比 的平方成反比。 越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距 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， 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 G = β(τnµn +τpµp )U/l2 式中τ 分别为自由电子和空穴的寿命； 式中 n和τp分别为自由电子和空穴的寿命；µn和µp分别为自由 电子和空穴的迁移率。 电子和空穴的迁移率。
本征半导体样品 L
S
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光电导效应示意图
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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。 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E 响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体 的电离能，则截止波长：λ 的电离能，则截止波长：λ0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在 低温状态。
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。 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、 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。 者之间的半导体。 电阻率10 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 欧姆•厘米范围内——导体 电阻率10 欧姆•厘米以上——绝缘体 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 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
基本概念： 基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 、稳态光电流： 3、亮电导率和亮电流 、
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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： 基本公式：
光
暗电导率G 暗电导率 d=σdS/L 暗电流I 暗电流 d= σdSU/L 亮电导率G 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流I 亮电流 l= σlSU/L 光电导G 光电导 p= ∆σS/L 光电流I 光电流 p= ∆σSU/L
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 Si在室温下电导率为 在室温下电导率为5*10 /(欧姆 厘米) 欧姆• 的杂质时，电导率为2 /(欧姆 厘米)) 欧姆• 的杂质时，电导率为2 /(欧姆•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、 磁等作用的影响。
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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。 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， 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， 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。 平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。
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本征和杂质半导体 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。 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。 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 时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n 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 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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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 半导体电阻温度系数一般是负的， 根据这一特性，可以制作热电探测器件。 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 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。
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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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光信息科学与技术系
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光电导效应、光生伏特效应和光热效应 光电导效应、