第三章内光电效应探测器件
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2012/3/6
3.1.1 能带理论
半导体光电发射可以用电子亲和势来描述。 如图所示，电子亲和势（电子结合能） EA指的是 导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量， 数值上等于真空能级 与导带底能级EC之差。即：
E A E0 EC
此时电子亲和势就等于能 量阈值。那么半导体材料中电 子从价带顶逸出产生光电发射 所需的能量阈值，就是真空能 级与价带顶能级之差。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
量子效率
对于内光电效应的光电器件，在本征吸收时， 只要入射光子能量hν＞Eg，每个光子都能产生光 电子，即η=100%，否则，产生光电子数为零，即 η=0。 由于探测器对入射光的反射、透射、散射的作用 ，当入射光能量hν≥Eg，每个光子不一定都能产生 光电子，实际的量子效率η＜100%。 下面利用光吸收定律进一步讨论有关量子效率的 问题。
2012/3/6
3.1.1 能带理论
在纯半导体材料中掺入不同杂质生成 P型和N型半 导体。掺入杂质后，在原先的满带和导带之间产生 一些孤立的附加级。 半导体材料的能带图
附加能级的位置则决定于杂质原子的性质: 在4价硅中掺入少量5价的磷，则构成N型半导体； 在4价硅中掺入少量3价的硼，则构成P型半导体。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
当外电路短路时，就有电流流过PN结。这个电 流称为光电流，其方向是从N端经过PN结指向P端。 e I sc I P h PN结光电效应 如在PN结上加上电压V后， 流过PN结的电流为：
I eV kT Is e 1
式中：Is为PN结的反向饱和电流；e为电子电荷； k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
内光电效应
当入射辐射作用在半导体PN结上，且入射光子 能量大于材料禁带宽度时，便产生电子-空穴对，电 子-空穴对在PN结内建电场的作用下分分离，使得 在无光照时形成的势垒高度降低。
相当于在 PN 结上加了一个正向电压，结果是， 耗尽区宽度变窄，接触电位差减小，入射光的光能 就转变成电能。这种由光照而在 PN结的两端出现的 电动势称为光产生电动势，此效应简称光伏效应。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
如果PN结有外接回路，则流过外电路的总电流 与光生电流和结电流之间的关系为：
eV kT I I p I s e 1
如果负载电阻接入外回路，那么电流为I在PN 结两端产生的电压为：
kT I p I V ln 1 e Is
2012/3/6
许多会议室、
宾馆房间的天花板
上都装有火灾报警
天花板上的火 灾报警器
器，火灾报警器是
光传感器应用的又
一实例。
结构和原 理图
工作原理
报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、 光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极
管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾
进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射 到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接 的电路检测出这种变化，就会发出警报。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
（1）斯托夫定律
当入射光的频谱成份不变时(同一波长的单色光 或者相同频谱的光线)，光电阴极的饱和光电发射 电流Ik与被阴极吸收的入射光的光通量φ成正比：
I K S K
灵敏度)。
SK：表征光电发射灵敏度的系数(光电阴极的光照
只要测出光电发射的阴极的电流Ik以及入射到光 阴极的光通量φ，就能求出光电阴极光照灵敏度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
外光电效应
从半导体能级图可以看出，价带和导带之间有 一禁带(禁带宽度－带隙能量Eg)，半导体电子不能 存在于禁带区域，导带与真空能级之间形成电子亲 和势(EA)。 当光子入射到光阴极面上时，处于价带中的电 子吸收光子能量而被激励，向表面扩散，扩散到表 面的电子，越过真空位垒成为光电子发射到真空， 完成由光子转变为电子的光电发射。
烟尘浊度监测仪
烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程 中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光 源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达 光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强 弱便可反映烟道浊度的变化。
在路灯照明设计中,一般要求白天有自动 关闭功能，如何探测光线的明暗变化？ 宾馆自动门工作原理？
第三章 内光电效应探测器件
2012/3/6
International Photonics Laboratory
本章学习要求：
1.掌握光电效应基础理论和基本概念 2.掌握光生伏特器件的结构、原理及其应用 3.掌握光电导器件的结构、原理及其应用 4.了解新型光半导体探测器件 5.掌握典型的偏置电路和信号处理电路
x x x
e为电子电荷；lx为吸收层厚度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
在φ的光照下，探测器在单位时间内产生的电子 空穴对为J·lxly/e。由量子效率的定义有：
( )
J lxl y / e
0 / h
(1 r )(1 e x )
由此可见，要提高量子效率，就须使光反射率r低， 吸收系数α大，吸收层厚度要足够长以充分吸收光 辐射。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
（2）爱因斯坦定律
爱因斯坦定律阐明了发射光电子的最大动能E 与入射光频率v (或波长λ)和光电发射材料逸出功 (W)之间的关系。发射光电子最大动能与光的强度 无关，而随入射光频率的提高而线性增加：
mV 2 E 2 h W max
光电式带材跑偏检测器
带材跑偏检测器用 来检测带型材料在加 工中偏离正确位置的 大小及方向，为纠偏 控制电路提供纠偏信
号，主要用于印染、 送纸、胶片、磁带生 产过程中。如右图
平行 光源
光电 探测
放大
显示
烟道
刻度 校正 报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除 工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对 烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。
2012/3/6
3.1.1 能带理论
金属：不存在禁带，导带和价带交织在一起， 电子可以连续过渡，因而导电性能强。 绝缘体：禁带宽度较大，在室温下由于热能激 发到导带中的电子很少，因此导电性能很差。 半导体：禁带宽度较小，介于金属和绝缘体之间 ，室温下由于热运动总有一部分电子从满带跃迁到 导带，形成电子空穴对。如果外加电场，电子空穴 对载流子沿着电场方向漂移运动，形成电流输出。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
单位体积内电子-空穴对的产生率(m-3s-1)为：
g ( x)
0 N (1 r )e x lx l y x h lxl y
它是x的函数，因此沿着x方向的电流密度 (A/m2)为： l l 0 x J e g ( x)dx (1 r )e e dx 0 0 h lx l y 0 (1 r )e (1 e l ) h lx l y
2012/3/6
3.1.1 能带理论
从能带图可以看出，由于能带弯曲，表面的 电位相对于体内降低了Ed，因此电子在表面附近 受到耗尽层内建电场作用容易到达表面，电子只 需克服EA1就能逸出表面，此时由于光的入射产生 的光电子只需克服有效电子亲和势为：
E Aef E0 EC1 E A2 Ed E A1
V表示光电子的速度，h是普朗克常数。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
从以上的理论出发可以得出存在一个临界波长 ，这个波长通常称为红限波长(λ0)。此时，光电子 刚刚能从阴极逸出，初速应该为零，因此：
h 0 W
0
Wቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ h
c ch 0 1240 / W （nm） 0 W
只要知道光电器件的光电发射材料的逸出功， 或者知道器件的带隙能量，就可以知道这种器件的 截止波长。
1 B 23 ( MHz) 2RT CT
如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。
光电探测传感器件
外光电 效应 光电管 光电倍增管 单晶型 本征型 掺杂型
光 电 探 测 传 感 器 件
光子探测 传感器件 （基于量 子效应）
内光电 效应
这类器件特点: ①. 响应快,响应时间一 般为几十纳秒到几 百微妙. 热电探测 热电堆 传感器件 热电偶 （基于热 热释电探测器 热敏电阻 效应）
适当控制掺杂浓度，就有 可能使Ed＞EA2，EAef＜0。
负电子亲和势能带模型
EA1 EA2 Ed E0 EC2
耗尽区
表面：N型 :
EV2
2012/3/6
3.1.2 光电效应
当光作用到物质表面时，与光电材料中的电子 相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种 电学参量变化，这种现象统称为光电效应。 光电效应又分为内光电效应与外光电效应两类。 外光电效应:物质在光辐射作用下，被光激发产生 的电子逸出物质表面的现象。 内光电效应:受到光照射的物质内部电子能量状态 发生变化，光子激发产生的载流子仍保留在材料内 部，不存在表面发射电子的现象，包括光电导效应 和光伏效应。
3.1 基础理论和基本概念
3.1.1 能带理论 3.1.2 光电效应 3.1.3 二次电子发射的基本原理
2012/3/6
3.1.1 能带理论
原子物理指出，自由原子中的电子具有的能量 状态不是任意的，电子只能存在在一定的能级上。 能级通常用能带图表示，能带分为价带、禁带和导 带。
对于绝缘体、半导体和金属，能级差别只 是禁带宽度(带隙能量Eg)不同。
2012/3/6
3.1.3 二次电子发射的基本原理
当足够能量的电子轰击固体表面时，就有一定 数量的电子从固体表面发射出来。 我们称入射的电子为一次电子，发射的电子为 二次电子。二次电子发射系数定义为发射的二次电 子数NS和入射的一次电子数Ne之比：
NS Ne
倍增极的二次电子发射模型
一次电子 二次电子 二次电子发射面
多晶型 光敏电阻 （基于光电导效应） 合金型 光敏二极管 光生伏特效应 光敏晶体管 ②.响应波长有 选择性,这些器 （基于光生伏 光 电 池 特效应） 雪崩光电管 件都存在某一 截止波长λ,若超 过此波长,器件 无响应.
特点：①.响应波长无选择性,对从可见光 到远红外的各种波长的辐射同样敏感; ②.响应慢,吸收辐射产生信号需要 的时间长,一般在几毫秒以上.
2012/3/6
3.1.2 光电效应
设入射到探测器的辐射通量φ，每秒钟入射的光子 数为φ/hν。由光吸收定律，在距表面位置x处△x 的长度内，每秒吸收的光子数为：
0 (1 r )e x ( x) N x x 计算光电子产生示意图 h h
式中，r为反射率；α为 吸收系数，单位为1/cm； φ(x)为距表面为x处的辐射 通量。
2012/3/6
半导体光电发射体的 简化能带模型
3.1.1 能带理论
电子亲和势是表征半导体材料发生光电效应 时，电子逸出的难易程度。电子亲和势越小，就越 容易逸出。 如果电子亲和势为零或是负值，则意味着电 子处于随时可以脱离状态，变成自由电子，这样 用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由 于光子易于激发到表面逸出，因此灵敏度就高。 采用一些特殊工艺，使得有效的电子亲和势 变为负值，则大大降低光电发射阈值，提高材料 的量子效率，这种材料称为负电子亲和势的半导 体材料。
基板电极
2012/3/6
3.1.3 二次电子发射的基本原理
二次发射过程可以分为三个阶段：
(1) 入射电子与发射体中的电子相互作用，一部分电
子被激发到较高能级； (2) 一部分受激电子向发射体-真空界面运动； (3) 到达表面的电子中，能量大于表面势垒的那些 电子发射到真空中。
2012/3/6
带宽
设RT是光电二极管电路电阻，CT是光电二极管结电 容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个 RC低通滤波器，其带宽为：
B 1 2RT CT
例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K 欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT =1 K欧姆，所以电路 带宽：
3.1.1 能带理论
半导体光电发射可以用电子亲和势来描述。 如图所示，电子亲和势（电子结合能） EA指的是 导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量， 数值上等于真空能级 与导带底能级EC之差。即：
E A E0 EC
此时电子亲和势就等于能 量阈值。那么半导体材料中电 子从价带顶逸出产生光电发射 所需的能量阈值，就是真空能 级与价带顶能级之差。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
量子效率
对于内光电效应的光电器件，在本征吸收时， 只要入射光子能量hν＞Eg，每个光子都能产生光 电子，即η=100%，否则，产生光电子数为零，即 η=0。 由于探测器对入射光的反射、透射、散射的作用 ，当入射光能量hν≥Eg，每个光子不一定都能产生 光电子，实际的量子效率η＜100%。 下面利用光吸收定律进一步讨论有关量子效率的 问题。
2012/3/6
3.1.1 能带理论
在纯半导体材料中掺入不同杂质生成 P型和N型半 导体。掺入杂质后，在原先的满带和导带之间产生 一些孤立的附加级。 半导体材料的能带图
附加能级的位置则决定于杂质原子的性质: 在4价硅中掺入少量5价的磷，则构成N型半导体； 在4价硅中掺入少量3价的硼，则构成P型半导体。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
当外电路短路时，就有电流流过PN结。这个电 流称为光电流，其方向是从N端经过PN结指向P端。 e I sc I P h PN结光电效应 如在PN结上加上电压V后， 流过PN结的电流为：
I eV kT Is e 1
式中：Is为PN结的反向饱和电流；e为电子电荷； k为玻耳兹曼常数；T为绝对温度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
内光电效应
当入射辐射作用在半导体PN结上，且入射光子 能量大于材料禁带宽度时，便产生电子-空穴对，电 子-空穴对在PN结内建电场的作用下分分离，使得 在无光照时形成的势垒高度降低。
相当于在 PN 结上加了一个正向电压，结果是， 耗尽区宽度变窄，接触电位差减小，入射光的光能 就转变成电能。这种由光照而在 PN结的两端出现的 电动势称为光产生电动势，此效应简称光伏效应。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
如果PN结有外接回路，则流过外电路的总电流 与光生电流和结电流之间的关系为：
eV kT I I p I s e 1
如果负载电阻接入外回路，那么电流为I在PN 结两端产生的电压为：
kT I p I V ln 1 e Is
2012/3/6
许多会议室、
宾馆房间的天花板
上都装有火灾报警
天花板上的火 灾报警器
器，火灾报警器是
光传感器应用的又
一实例。
结构和原 理图
工作原理
报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、 光电三极管和不透明的挡板。平时，光电三极
管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态。烟雾
进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射 到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接 的电路检测出这种变化，就会发出警报。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
（1）斯托夫定律
当入射光的频谱成份不变时(同一波长的单色光 或者相同频谱的光线)，光电阴极的饱和光电发射 电流Ik与被阴极吸收的入射光的光通量φ成正比：
I K S K
灵敏度)。
SK：表征光电发射灵敏度的系数(光电阴极的光照
只要测出光电发射的阴极的电流Ik以及入射到光 阴极的光通量φ，就能求出光电阴极光照灵敏度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
外光电效应
从半导体能级图可以看出，价带和导带之间有 一禁带(禁带宽度－带隙能量Eg)，半导体电子不能 存在于禁带区域，导带与真空能级之间形成电子亲 和势(EA)。 当光子入射到光阴极面上时，处于价带中的电 子吸收光子能量而被激励，向表面扩散，扩散到表 面的电子，越过真空位垒成为光电子发射到真空， 完成由光子转变为电子的光电发射。
烟尘浊度监测仪
烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程 中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光 源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达 光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强 弱便可反映烟道浊度的变化。
在路灯照明设计中,一般要求白天有自动 关闭功能，如何探测光线的明暗变化？ 宾馆自动门工作原理？
第三章 内光电效应探测器件
2012/3/6
International Photonics Laboratory
本章学习要求：
1.掌握光电效应基础理论和基本概念 2.掌握光生伏特器件的结构、原理及其应用 3.掌握光电导器件的结构、原理及其应用 4.了解新型光半导体探测器件 5.掌握典型的偏置电路和信号处理电路
x x x
e为电子电荷；lx为吸收层厚度。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
在φ的光照下，探测器在单位时间内产生的电子 空穴对为J·lxly/e。由量子效率的定义有：
( )
J lxl y / e
0 / h
(1 r )(1 e x )
由此可见，要提高量子效率，就须使光反射率r低， 吸收系数α大，吸收层厚度要足够长以充分吸收光 辐射。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
（2）爱因斯坦定律
爱因斯坦定律阐明了发射光电子的最大动能E 与入射光频率v (或波长λ)和光电发射材料逸出功 (W)之间的关系。发射光电子最大动能与光的强度 无关，而随入射光频率的提高而线性增加：
mV 2 E 2 h W max
光电式带材跑偏检测器
带材跑偏检测器用 来检测带型材料在加 工中偏离正确位置的 大小及方向，为纠偏 控制电路提供纠偏信
号，主要用于印染、 送纸、胶片、磁带生 产过程中。如右图
平行 光源
光电 探测
放大
显示
烟道
刻度 校正 报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除 工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对 烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。
2012/3/6
3.1.1 能带理论
金属：不存在禁带，导带和价带交织在一起， 电子可以连续过渡，因而导电性能强。 绝缘体：禁带宽度较大，在室温下由于热能激 发到导带中的电子很少，因此导电性能很差。 半导体：禁带宽度较小，介于金属和绝缘体之间 ，室温下由于热运动总有一部分电子从满带跃迁到 导带，形成电子空穴对。如果外加电场，电子空穴 对载流子沿着电场方向漂移运动，形成电流输出。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
单位体积内电子-空穴对的产生率(m-3s-1)为：
g ( x)
0 N (1 r )e x lx l y x h lxl y
它是x的函数，因此沿着x方向的电流密度 (A/m2)为： l l 0 x J e g ( x)dx (1 r )e e dx 0 0 h lx l y 0 (1 r )e (1 e l ) h lx l y
2012/3/6
3.1.1 能带理论
从能带图可以看出，由于能带弯曲，表面的 电位相对于体内降低了Ed，因此电子在表面附近 受到耗尽层内建电场作用容易到达表面，电子只 需克服EA1就能逸出表面，此时由于光的入射产生 的光电子只需克服有效电子亲和势为：
E Aef E0 EC1 E A2 Ed E A1
V表示光电子的速度，h是普朗克常数。
2012/3/6
3.1.2 光电效应
从以上的理论出发可以得出存在一个临界波长 ，这个波长通常称为红限波长(λ0)。此时，光电子 刚刚能从阴极逸出，初速应该为零，因此：
h 0 W
0
Wቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ h
c ch 0 1240 / W （nm） 0 W
只要知道光电器件的光电发射材料的逸出功， 或者知道器件的带隙能量，就可以知道这种器件的 截止波长。
1 B 23 ( MHz) 2RT CT
如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455 MHz。
光电探测传感器件
外光电 效应 光电管 光电倍增管 单晶型 本征型 掺杂型
光 电 探 测 传 感 器 件
光子探测 传感器件 （基于量 子效应）
内光电 效应
这类器件特点: ①. 响应快,响应时间一 般为几十纳秒到几 百微妙. 热电探测 热电堆 传感器件 热电偶 （基于热 热释电探测器 热敏电阻 效应）
适当控制掺杂浓度，就有 可能使Ed＞EA2，EAef＜0。
负电子亲和势能带模型
EA1 EA2 Ed E0 EC2
耗尽区
表面：N型 :
EV2
2012/3/6
3.1.2 光电效应
当光作用到物质表面时，与光电材料中的电子 相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种 电学参量变化，这种现象统称为光电效应。 光电效应又分为内光电效应与外光电效应两类。 外光电效应:物质在光辐射作用下，被光激发产生 的电子逸出物质表面的现象。 内光电效应:受到光照射的物质内部电子能量状态 发生变化，光子激发产生的载流子仍保留在材料内 部，不存在表面发射电子的现象，包括光电导效应 和光伏效应。
3.1 基础理论和基本概念
3.1.1 能带理论 3.1.2 光电效应 3.1.3 二次电子发射的基本原理
2012/3/6
3.1.1 能带理论
原子物理指出，自由原子中的电子具有的能量 状态不是任意的，电子只能存在在一定的能级上。 能级通常用能带图表示，能带分为价带、禁带和导 带。
对于绝缘体、半导体和金属，能级差别只 是禁带宽度(带隙能量Eg)不同。
2012/3/6
3.1.3 二次电子发射的基本原理
当足够能量的电子轰击固体表面时，就有一定 数量的电子从固体表面发射出来。 我们称入射的电子为一次电子，发射的电子为 二次电子。二次电子发射系数定义为发射的二次电 子数NS和入射的一次电子数Ne之比：
NS Ne
倍增极的二次电子发射模型
一次电子 二次电子 二次电子发射面
多晶型 光敏电阻 （基于光电导效应） 合金型 光敏二极管 光生伏特效应 光敏晶体管 ②.响应波长有 选择性,这些器 （基于光生伏 光 电 池 特效应） 雪崩光电管 件都存在某一 截止波长λ,若超 过此波长,器件 无响应.
特点：①.响应波长无选择性,对从可见光 到远红外的各种波长的辐射同样敏感; ②.响应慢,吸收辐射产生信号需要 的时间长,一般在几毫秒以上.
2012/3/6
3.1.2 光电效应
设入射到探测器的辐射通量φ，每秒钟入射的光子 数为φ/hν。由光吸收定律，在距表面位置x处△x 的长度内，每秒吸收的光子数为：
0 (1 r )e x ( x) N x x 计算光电子产生示意图 h h
式中，r为反射率；α为 吸收系数，单位为1/cm； φ(x)为距表面为x处的辐射 通量。
2012/3/6
半导体光电发射体的 简化能带模型
3.1.1 能带理论
电子亲和势是表征半导体材料发生光电效应 时，电子逸出的难易程度。电子亲和势越小，就越 容易逸出。 如果电子亲和势为零或是负值，则意味着电 子处于随时可以脱离状态，变成自由电子，这样 用电子亲和势为负值的材料制作的光电阴极，由 于光子易于激发到表面逸出，因此灵敏度就高。 采用一些特殊工艺，使得有效的电子亲和势 变为负值，则大大降低光电发射阈值，提高材料 的量子效率，这种材料称为负电子亲和势的半导 体材料。
基板电极
2012/3/6
3.1.3 二次电子发射的基本原理
二次发射过程可以分为三个阶段：
(1) 入射电子与发射体中的电子相互作用，一部分电
子被激发到较高能级； (2) 一部分受激电子向发射体-真空界面运动； (3) 到达表面的电子中，能量大于表面势垒的那些 电子发射到真空中。
2012/3/6
带宽
设RT是光电二极管电路电阻，CT是光电二极管结电 容和放大器输入电容之和，则检测器可以近似为一个 RC低通滤波器，其带宽为：
B 1 2RT CT
例：如果光电二极管的电容为3 PF，放大器电容为4 PF，负载电阻为1 K 欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT = 7 PF，RT =1 K欧姆，所以电路 带宽：