半导体光效应PPT
半导体激光器的原理及其应用PPT
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
半导体的光电效应.ppt
Am
f
A(f) N(f)
f
f
f
f 1
A( f )df
Am 0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
探测器的输出信号电压 Vs或电流Is与入射光功率 s之比
Sv
Vs s
或
Sv
IS s
光谱响应率
探测器在波长为的单色光照射下，输出的电压Vs ()或电流Is ()
由于RP随着入射光功率变化而变化，要保持匹配有 困难，一般采用RL RP1RP2
光明电阻的应用列举
照相机电子快门
W
E0
EA
Eg
Ec
Ef
半导体光电发射
注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光 效应，都存在着一个阀值波长问题
探测器的噪声
一般光电系统的噪声：
目标 光学系统 探测器
前放
信号处理
显示
光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合
噪声， 温度噪声，1/f噪声
780
xv km 380 v()xe ()d
辐
射
人眼
度
光 度 学
光度学(Photometry)
辐射度量与光度量的一一对应关系： （参见书本的的第4页） 注意的是： 探测器的的性能参数可能用不同的单位来量，
但其本质是一致的。 加深理解：参见课后练习（1—1).
半导体光电器件
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制 成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点： 光谱响应范围宽 工作电流大 所测的光强范围广 灵敏度高 偏置电压低，无极性之分 不足之处是：在强光下线性较差，光电驰豫过程较 长，频率响应低。
半导体制造工艺之光刻原理课件
436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC)
R
k1
NA
248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)
Mask design and resist
process
[nm]
436 365 248 193
k1 0.8 0.6 0.3-0.4 0.3-0.4
第四章 光刻原理 (下)
28
光栅扫描（左）和矢量扫描
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
29
电子束光刻问题：1）速度慢！
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
30
电子束光刻问题：2）电子散射及二次电子：线条宽>束斑
✓真空下工作 ✓焦深大 ✓直写，无掩膜版
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
干法去胶（Ash)
等离子去胶（Oxygen plasma ashing） 高频电场 O2电离O－＋O＋
O＋活性基与胶反应 CO2， CO ，H2O。
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
12
R
k1
NA
提高分辨率的方法
1、Using light source with shorter
光源
波长(nm) 术语
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
9
图形转移——刻蚀
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
10
图形转移——剥离（lift-off）
去胶
半导体制备工艺基础
第四章 光刻原理 (下)
11
溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。 正胶：丙酮
9半导体的光学性质PPT课件
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
7
光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4～0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01～0.4μm。 红外区的波长范围为0.7～1000μm。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
8
9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
9
9.2 本 征 吸 收
半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃 迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在： ➢ (a)不同能带的状态之间； ➢ (b)、(c)、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间； ➢ (d)禁带中分立能级的不同状态之间； ➢ (f)同一能带的不同状态之间； ……它们引起不同的光吸收过程。
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
18
图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
19
9.2.2 间接跃迁
在间接带隙半导体中，导带极小值和价带极大 值不是发生在布里渊区的同一地点，而是具有 不同的k值，因此这种跃迁是非竖直跃迁。 跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得 多，因此，准动量守恒要求必须有第三者—声 子参加。就是说，在跃进过程中必须伴随声子 的吸收或放出，即
Ey
Ey0 exp i
t
nx c
exp
c
x
I x Ey 2
2 / c
I (x) I0e x
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
半导体的光电效应
半导体的光电效应发布日期:2008-04-25 我也要投稿!作者:网络阅读: 787[ 字体选择：大中小]一、半导体的能带结构按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。
又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。
电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能εF为止。
再上面的能级都是空的。
被电子填满的能带叫满带。
满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。
所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。
全部空着的能带称为空带。
能带间的间隔叫带隙(用Eg表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。
图1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。
如图1(a)所示,导体的费米能级εF在一个能带的中央,该能带被部分填充。
由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。
这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。
如果某一能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。
一般带隙较大(大于10eV数量级)的物质,被称为绝缘体,如图1(b)所示;而带隙较小(小于1eV数量级)的物质,被称为半导体,如图1(c)所示。
半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。
如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。
所以半导体的载流子有电子和空穴两种。
可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。
二、半导体的内光电效应当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。
利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。
半导体的光电效应
光明电阻
光谱响应率 时间常数 线性 前历效应 温度特性 常用的光明电阻： 常用的光明电阻： 了解各种光明电阻的特性，用途，使用范围等 了解各种光明电阻的特性，用途，
光敏电阻的偏置电路
基本偏置电路图：
光 明 电 R
p
1 1 R= = G Gd + G p Gd 电 GP S g E S g Φ
阻
RL
1 f = Am
f
A ( f )df
f
∫
∞
0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数 响应率（积分灵敏度） 响应率（积分灵敏度）
Vs = Φ s
Sv
或
IS Sv = Φs
光谱响应率
探测器在波长为 λ的单色光照射下，输出 的电压 Vs (λ )或电流 I s (λ ) 与入射光功率 Φ S 之比：
E0 Ef
金属表面势垒 E0 W
Ef
W = E0 E f
半导体光电反射
E0
半导体的光电发射逸出供为：
EA
W
w = Eg + E A
（其中EA为电子亲和势） 为电子亲和势）
Eg 半导体光电发射
Ec Ef
注意：在光电效应里面： 注意 在光电效应里面：包括内电光与外电光 在光电效应里面 效应， 效应，都存在着一个阀值波长问题
Vb I = RL + R
P 2
RP VbS g R PV b I ≈ = Φ 2 2 (RL + RP ) (RL + RP ) R
P
= R
2 P
S
g
Φ
常用的偏置方法
恒流偏置：
RL >> RP时 I = S gVb ( RP 2 ) Φ RL
6 第4章 半导体的激发与发光——半导体照明课件PPT
第二节 注入载流子的复合
直接带隙半导体 间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 价带的极大值和导带的极
值都位于k空间的原点上；
小值不位于k空间的原点上
价带电子跃迁到导带时，只 要求能量的改变，而电子的 准动量不发生变化，称为直 接跃迁；
价带的电子跃迁到导带时 ，不仅要求电子的能量要 改变，电子的准动量也要 改变，称为间接跃迁
（2）热击穿（不可逆）
反向电压
反向电流
结温
热激发
3、PN结的电容效应 在PN结内的耗尽层中，存在相对的正负电荷，根据外加电压
能改变耗尽层的宽度，因而电容量也随之变化，因此PN结具有 的电容效应。
在突变结的情况下：
Cj
C0
(1
V
)
1 2
在缓变结的情况1 3
式中C0是无外加电压时耗尽层的电容量。
I （毫安）
３０
正向
２０
１０
0
0.2
V（伏）
1.0
（２） 反向偏压
在ＰＮ结的P型区接电源负极，N型区接电源正极， 叫反向偏压。
E
p型
n型
E阻
阻挡层势垒增大、变宽， 不利于空穴向Ｎ区运动，
I 也不利于电子向P区运动，
没有正向电流。 PN结表现 为大电阻。
但是，由于少数载流子 的存在，会形成很弱的反 向电流，这个电流也称为 反向饱和电流。
直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体， GaAs，GaN，ZnO。
间接跃迁对应的半导体材 料称为间接禁带半导体， 例子：Si，Ge，GaP。
表4-2 直接和间接带隙半导体的理论复合概率（300K）
化合物 GaAs GaSb InP
半导体的光、热、磁效应
I
Voc I sc
qV − 1 − I L k0T
（V是外加电压）
V
Pmax (最大输出功率） ×100% 光电转换效率(PCE) η = Pin (入射光功率)
填充因子FF =
η=
I sc × Voc × FF ×100% Pin
19
在正向电压，少子注入 ——电子由n区注入p区 ——空穴由p区注入n区
扩散时与多子复合而发光（辐射复合）
• 核心过程为自发辐射（直接跃迁/通过杂质对跃迁） • 光子不相干：方向不同，相位随机 • 光的峰值波长λ与发光区域 的半导体材料禁带宽度 Ｅ g 有 关，即λ≈1240/Eg
。
20
• 光仅在pn结面数微米um以内的少子扩散区内产生 • 发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高 •
温差发电器原理图
26
2. 珀耳帖效应
1834年，法国实验科学家珀耳帖发现，将两种不同的金属构成闭合 回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差（吸热 或放热），这就是珀尔帖效应（Peltier Effect）。
［应用］帕耳帖效应发现100多年来并未获得实际
应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱。直到上 世纪 90 年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲 化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而 出现了实用的半导体电子致冷元件 —— 热电致冷器 （Thermo Electric Cooler，简称TEC ）。
16
k 0T IL Voc = ln( + 1) q IS
• 开路电压Voc：随光强增强而增大，但 增大到pn结势垒qVD消失时达到饱和Vmax (光生电压起正偏作用！) • 短路电流Isc：随光照强度线性上升
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体的光电效应
半导体的光电效应
半导体的光电效应是指当光线照射到半导体材料上时，会产生电子和空穴的对应数量的载流子，从而产生电流的现象。
这种现象是半导体材料的重要特性之一，也是现代电子技术中广泛应用的基础。
半导体的光电效应是由光子与半导体材料中的电子和空穴相互作用而产生的。
当光子能量与半导体材料中的电子能级相匹配时，光子会被吸收，电子会被激发到导带中，形成自由电子，同时在价带中留下一个空穴。
这些自由电子和空穴可以在半导体中自由移动，从而形成电流。
半导体的光电效应在现代电子技术中有着广泛的应用。
例如，太阳能电池就是利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能的装置。
太阳能电池的工作原理就是将太阳光照射到半导体材料上，产生电子和空穴，从而形成电流。
此外，半导体激光器、光电传感器、光通信等领域也都是利用半导体的光电效应实现的。
半导体的光电效应还有一些特殊的应用。
例如，光电二极管就是一种利用半导体的光电效应制成的器件。
光电二极管可以将光信号转化为电信号，广泛应用于光通信、光电测量等领域。
此外，半导体的光电效应还可以用于制作光电晶体管、光电场效应晶体管等器件，这些器件在光电子学、光电计算等领域有着广泛的应用。
半导体的光电效应是现代电子技术中不可或缺的一部分。
它不仅是
太阳能电池、光电二极管等器件的基础，还为光通信、光电测量等领域的发展提供了重要的支持。
随着科技的不断进步，半导体的光电效应还将有更广泛的应用前景。
半导体PN结的光电效应
D UD
D RL ED
注意：为了充分利用在PN IP 结各区பைடு நூலகம்产生的光生载流
子，PN结需加适当的反向 偏压。
制作单位：北京交通大学电子信息工程学院 《模拟电子技术》课程组
半导体PN结的光电效应
31/66 七、PN结的光电效应
PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻 挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光 子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、 N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场 的作用下电子迅速移向N区，空穴移向P区，在回路内容形成 光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自 由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。
半导体的光电效应
半导体的光电效应：从光伏发电到激光器应
用
半导体材料的光电效应是指能量转换的过程，即将光能转换成电能或将电能转换成光能。
这种效应被广泛应用于太阳能电池、光电探测器、激光器等。
光伏发电是半导体光电效应最常见的应用之一。
太阳能电池就是利用半导体光电效应将光能转化为电能的设备。
太阳能电池的主要材料是硅、硒化镉、氧化锌等半导体材料。
太阳能电池的工作原理是，当光线照射到太阳能电池上时，光子的能量被半导体吸收，形成电子-空穴对，产生电荷运动，导致电流的流动，从而产生电能。
除了光伏发电外，光电探测器也是半导体光电效应的常见应用之一。
光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件。
当光线照射到半导体上时，会激发出电子，从而产生电信号。
光电探测器的种类很多，主要分为光电倍增管、光电二极管、光电子啪啪声管等。
半导体的光电效应还被广泛地应用于激光器。
激光器是一种能够产生高度聚焦光束的器件。
其中半导体激光器是一种基于半导体材料光电效应的激光器。
半导体激光器具有体积小、功耗少、效率高等优点，因此在通信、制造、医疗等领域有着广泛的应用。
总之，半导体材料的光电效应是当今科技进步的重要基石之一。
未来随着科技的不断发展，半导体光电材料会有更多的创新应用，为人类带来更多的便利和福利。
半导体的光电效应
半导体的光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，物质会吸收光的能量并产生电子的释放现象。
这一现象在半导体材料中尤为显著，对于现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性能。
它的导电性质可以通过控制光照来实现，这就是光电效应。
半导体的光电效应可以分为两种类型：光电发射和光电流。
光电发射是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被半导体的原子或分子吸收，使得其内部的电子获得足够的能量跃迁到导带中，从而形成电流。
这种现象被广泛应用于光电子器件，如光电二极管、光电倍增管等。
光电发射的特点是其电流与光照强度成正比，且电流随着光照强度增加而增加。
另一种光电效应是光电流。
光电流是指当光照射到半导体材料表面时，光子的能量被吸收后产生的电子和空穴对在电场的作用下向两个不同的方向移动，从而形成电流。
光电流的大小与光照强度成正比，但与光电发射不同的是，光电流的大小还与半导体材料的结构和性质有关。
光电流的产生在太阳能电池等光电器件中得到了广泛应用。
半导体的光电效应是由半导体材料的能带结构决定的。
能带是指电子在固体中运动所能具有的能量范围。
在半导体材料中，价带是指电子占据的能量范围，而导带是指电子可以自由移动的能量范围。
当光子的能量大于半导体材料的带隙时，光子的能量可以被半导体材料吸收，使得其内部的电子跃迁到导带中，从而形成电流。
半导体的光电效应不仅在光电子器件中有着广泛的应用，而且在光通信、光储存和光计算等领域也起到了重要的作用。
例如，光纤通信系统中的光电二极管就是利用光电效应将光信号转换为电信号的关键元件之一。
此外，光电效应还可以用于光谱分析、光学测量和光探测等领域。
半导体的光电效应是一项重要的物理现象，它的应用不仅推动了电子技术的发展，而且在光通信、光存储和光计算等领域也起到了关键的作用。
随着科学技术的不断发展，相信光电效应在更多领域将发挥出更大的潜力，为人类带来更多的福祉。
半导体光生伏特效应原理
半导体光生伏特效应原理半导体光生伏特效应的原理可以通过光生载流子的产生和漂移来解释。
当光照射到半导体材料表面时，光子能量被传递给材料中的原子、分子或离子，导致电子从价带跃迁到导带形成载流子对。
光照下产生的电子称为光生电子，同时也有正空穴和光子活化材料内其他载流子。
产生的光生载流子会被电场或外加电压作用下，发生漂移并集聚在材料的相应区域，形成电势差。
当这种电势差达到一定程度时，就会出现光电流。
光电流的强度与光照强度成正比，并且与光子能量有关。
半导体光生伏特效应的关键是光生载流子的产生和漂移。
光生载流子的产生是通过光激发半导体材料内的电子跃迁实现的。
在纳米级量子点半导体材料中，由于量子尺寸效应和禁带边缘变化，光子能量比较低时也能够产生光生载流子。
光生载流子的漂移主要是受电势差和外加电压的影响。
电场作用下，载流子沿着电场方向漂移，并在电势差较大的地方累积。
外加电压也可以提供附加的驱动力，加速光生载流子的漂移。
半导体光生伏特效应在光电二极管中得到了广泛应用。
光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件，其基本结构由大面积P型和N型半导体组成。
当光照射到P型半导体区域时，光生载流子在电场和电势差的驱动下，被引导至N型半导体区域，产生电势差。
这个电势差可以通过外部电路测量，从而得到光照的信息。
除了光电二极管，半导体光生伏特效应还可以应用于太阳能电池、光敏电阻、光电导体和光伏电池等器件中。
这些器件都是利用半导体材料的光生伏特效应，将光能转化为电能或光电信号。
总结起来，半导体光生伏特效应是一种将光能转换为电能的现象，主要通过光激发半导体材料产生光生载流子，然后利用电场和电势差使载流子漂移，最终产生电势差和光电流。
这个效应在光电转换器件中发挥着重要作用，为光电子技术的发展提供了基础。
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光学系统
探测器
前放
信号处理
显示
光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声
探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
探测器的噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声 S(f)
噪声的主导地位：
在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用
0 0
光电导为： 暗电导为：
q(nn p p )
0 q(n0 n p0 p )
那么它的短路光电流密度为：
光电导效应
s J 0 E q( n p ) E hvAL
产生的短路光电流： I 0 光电导的响应时间： 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时 间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称 为弛豫过程或惰性。 考察其瞬态过程：
Is q
s
hv
qV ) 1) kT
P N N Id
＋
二极管的伏安特性电流：
I d I 0 (exp(
Is
V
－
I
那么流过PN结的电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
光伏效应
它的供电电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
等效噪声功率与探测率
当探测器的输出信号电 流I s或电压Vs 等于噪声的均方
2 2 根电流 in 或电压 vn 时，所对应的入射光功 率 s
NEP
s Is
2 in
它反映了能探测到的最小光功率
响应时间：
或Vs f ( s )
本征半导体光电导效应图
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为 s 为常数时： 用来产生光电效应的光功率: s 产生非平衡载流子的光子数： s
s
hv
产生非平衡载流子的浓度： n p s hvAL 在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在 稳定时光生载流子的浓度为： n p n
光电导效应
光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载 流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导与非本征光电导。 下面讨论本征光电导： 讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算： I s f ( s )
Vs s
探测器的输出信号电压 Vs或电流I s与入射光功率 s之比
Sv
或
IS Sv s
光谱响应率
探测器在波长为 的单色光照射下，输出 的电压Vs ( )或电流I s ( ) 与入射光功率 S 之比：
Sv Vs ( ) s
或
I S ( ) Sv s
探测器的主要参数
dn(t ) 1 g n(t ) dt
J 0 A
光电导效应
积分得到： n(t ) n0 (1 exp( )) 同样停止光照时： Nhomakorabeat
n(t ) n0 (t ) exp( )
t
矩形脉冲光照弛豫过程图
频率响应：
n
g 1
2 2
n0 1 2 2
E0 Ef
金属表面势垒 E0 W
Ef
W E0 E f
半导体光电反射
E0
半导体的光电发射逸出供为：
EA
W
w Eg E A
（其中EA为电子亲和势）
Eg 半导体光电发射
Ec Ef
注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光 效应，都存在着一个阀值波长问题
探测器的噪声
一般光电系统的噪声：
目标
Id
短路电流为： I sc I s 开路电压：Voc kT ln( Is 1) q Id
v
二极管伏安特性
I 说明：第三象限为光电流区 第四象限为光电池区 第一象限不利用
光敏二极管伏安特性
v
光电发射效应
金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它 和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象， 也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 外光电效应的两个基本定律： 1．光电发射第一定律——斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时， 饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与 入射 光强度成正比：
正弦光照弛豫过程图
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
J 0 q ( n p ) E
注意条件：
s
hcAL
hv Eg
理想情况
0
实际情况
0
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，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。 产生机制：
2. 光电发射第二定律——爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关： Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- W
光电发射效应
表面势垒：金属表面形成 的偶电层使表面电位突变。 光电发射大致可分三个过程： 1)金属的电子吸收光子能量，从基态 跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表 面运动过程中免不了要同其它电子或晶 格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面的电子，如果仍有足够的 能量足以克服表面势垒对电子的束缚 （即逸出功）时，即可从表面逸出。 E
白噪声
1/f噪声
f
在高频时，白噪声起主导作用
噪声的克服
等效噪声带宽 若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率 增益的最大值为Am,则噪声带宽为： Am
f
A(f)
N(f)
f
1 f Am
f
A( f )df
f
0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
光生载流子的浓度梯度
光电磁效应
势垒效应（PN结）
PN结光伏效应
半导体的PN结 P型 N型 P型
光生伏特效应
N型
Efp
Efn
Ef
能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功， 电势能降低
P-N结光伏效应
若入射光功率为 s , 光电流的大小为：