zm光电探测器的物理基础
研究光电探测器的工作原理和灵敏度
研究光电探测器的工作原理和灵敏度光电探测器是一种能够将光能转换为电信号的装置，广泛应用于光纤通信、光电测量、医学影像等领域。
本文将介绍光电探测器的工作原理以及影响其灵敏度的因素。
一、光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理基于光电效应，即光子与物质相互作用，使得电子从物质中被激发出来。
常见的光电探测器包括光电二极管、光电三极管、光电倍增管和光电二极管阵列等。
这里以光电二极管为例进行讨论。
光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件，其工作原理基于光电效应和半导体材料的特性。
光电二极管通常由正负极性的半导体材料组成，如硅(Si)或锗(Ge)。
其结构包括一个P-N结和一个金属接触端。
当光照射到光电二极管的P-N结上时，光子将被半导体材料吸收，转化为电子和空穴对。
电子将在P区移动，而空穴将在N区移动，由于P-N结的特性，形成一个电势差。
由于半导体材料的精细设计，这个电势差可以被转化为一个电流信号。
光电二极管的输出电流与入射光的强度成正比，因此可以通过测量电流的大小来确定光的强度。
这种转换过程是非常快速和高效的，因此光电二极管可以用于高速数据传输和灵敏的光测量。
二、光电探测器的灵敏度光电探测器的灵敏度是指其对光信号的检测能力。
它受到多种因素的影响，包括器件本身和外部环境等。
下面将介绍主要的影响因素。
1. 光电二极管的器件特性：光电二极管的灵敏度受到器件本身的结构和材料特性的影响。
例如，使用半导体材料的光电二极管，其灵敏度通常比使用其他材料的探测器更高。
此外，器件的结构设计也会影响灵敏度，例如增加接收面积可以提高光电探测器的灵敏度。
2. 光电二极管的响应时间：响应时间是指光电二极管从光照射到输出电流达到最大值所需的时间。
响应时间越短，光电二极管对快速变化的光信号的检测能力就越强。
因此，降低响应时间可以提高光电探测器的灵敏度。
3. 光电二极管的噪声：噪声是指光电二极管在工作过程中由于各种因素引起的电流波动。
噪声会降低光电探测器的信噪比，从而影响灵敏度。
光电探测器原理
光电探测器原理光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。
现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。
光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。
他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光电子从低能态激发到高能态。
于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子，如图二所示。
硅光电探测器是利用内光电效应的。
由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。
无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。
光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。
目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。
半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。
但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。
而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。
一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多个能级。
如图三所示。
能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能带称为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。
光电探测器工作原理与性能分析
光电探测器工作原理与性能分析光电探测器是一种能够将光电信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电通讯、光学测量、光学成像等领域。
在本文中，将对光电探测器的工作原理与性能进行分析。
一、光电探测器的工作原理光电探测器工作的基本原理是利用光电效应将光能转换为电子能，再经过电子放大及处理，将光信号转换为电信号输出。
光电探测器主要包括光敏元件、前置放大电路、信号处理电路等部分。
常见的光敏元件主要包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光电导二极管、PIN光电二极管等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它基于外光在PN结上产生电压的原理，将光能转换为电能。
PIN光电二极管又是一种与之类似的器件，但它的灵敏度更高，特别适用于高速、低噪音、低光水平的应用。
前置放大电路则是提高探测器灵敏度的重要部分。
它通常包括高阻抗输入级、宽带放大电路、低噪声电路等。
这些器件通常采用集成电路技术实现，具有高增益、高带宽、低噪声等优点。
信号处理电路主要包括滤波电路、放大电路、比较器、微处理器等部分。
滤波电路可以去除噪声干扰，放大电路可以放大信号的幅度，比较器可以将信号转换为数字信号，微处理器则可以对数字信号进行处理及控制。
二、光电探测器的性能分析光电探测器的性能参数包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
下面将对这些性能进行分析。
1. 灵敏度灵敏度是指探测器对光的灵敏程度，它通常通过量子效率来评估。
量子效率是指进入探测器的光子转化为电的比例。
由于光电探测器的灵敏度会受到光强度、工作温度、探测器结构等多种因素的影响，因此在实际应用中需要合理设计光路及保持探测器稳定性。
2. 响应时间响应时间是指光电探测器从接收光信号到输出电信号的时间。
响应时间由前置放大电路和光敏元件上升时间之和决定，因此我们可以通过优化这些器件来提高响应时间。
在高速应用中，响应时间非常关键，因此需要选用响应时间较短的光学元件及前置放大电路。
3. 线性度线性度是指光电探测器输出与输入之间的线性关系。
物理实验技术中如何进行光电探测实验
物理实验技术中如何进行光电探测实验光电探测实验是物理实验中常见的一个实验项目，通过光电效应原理来研究光与物质的相互作用。
在这个实验中，我们可以通过测量光电管中产生的电流来研究光的性质和光与物质之间的相互作用规律。
本文将介绍光电探测实验的基本原理、实验器材和实验步骤。
在进行光电探测实验之前，首先需要准备实验器材。
光电探测实验最基本的器材就是光电管，它是一种能够将光能转化为电能的装置。
在实验中，我们通常使用单色光或者白光照射在光电管表面，通过调节光强或光频来研究光电效应的规律。
此外，为了准确测量光电管中产生的电流，还需要设备如电流表和电压表等实验仪器。
在实验中，首先需要确定实验的目的和研究的问题。
例如，我们可以研究光电管中的最大光电流随入射光频率的变化规律，或者研究光电管中的光电流随光强的变化规律等。
明确研究问题之后，即可开始进行实验。
实验的第一步是测量光电管的特性曲线，即光电流随入射光强的变化关系。
这一步骤可以帮助我们了解光电管的工作特性，也是进行后续实验的基础。
为了测量光电管的特性曲线，我们需要将光电管连接到电路中，然后通过改变光强来测量光电流的变化。
实验中可以用可变电阻、滤波片或者光强调节器等来改变光强，从而得到一系列不同光强下的光电流值。
测量完光电管的特性曲线之后，我们可以开始研究光电管中的最大光电流随入射光频率的变化规律。
实验中，我们可以用单色光源来照射光电管，并通过改变光源的频率来测量光电流的变化。
测量光电流时，需要保持光强不变，只改变光频率。
根据测量结果，我们可以得到光电管中的最大光电流随光频率的变化关系。
通过对光电流和光频率的关系的研究，可以得到光电效应的基本规律。
除了研究光电流随光频率的变化规律外，我们还可以研究光电管中的光电流随入射光强的变化规律。
为了实现这一点，我们可以使用可变光强源来照射光电管，并通过改变光强来测量光电流的变化。
实验中，我们需要保持光频率不变，只改变光强。
通过测量光电流和光强的关系，可以得到光电流随入射光强的变化规律。
光电探测基础全面讲解
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
光电探测器的物理基础(性能指标噪声)
暗噪声是由于电子的热运动引起的，在光电探测器的材料 中，电子会不断地随机运动，当这些电子撞击到光敏区域 时，会产生光电流。
影响
暗噪声是光电探测器中不可避免的一部分，对于低光强度 和高灵敏度的应用场景，暗噪声的影响尤为显著。
散粒噪声
定义
散粒噪声是由于光子到达光电探测器的随机性引起的，它与光子 到达的时刻和数量有关。
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降低噪声
降低热噪声
通过优化材料和工艺， 降低光电探测器的热噪 声。
减小散粒噪声
通过增加光电流和减小 暗电流，减小散粒噪声。
抑制其他噪声源
如读出噪声、电路噪声 等，以提高信噪比。
高带宽和高速响应
优化材料和结构
采用具有高载流子迁移率和高响应速度的材料 和结构，提高光电探测器的带宽和响应速度。
采用先进的制程技术
在导弹制导、夜视装备和情报收集等 方面有重要应用。
05 光电探测器的发展趋势与 挑战
提高响应度和探测率
增强光电转换效率
通过优化材料和结构，提高光电探测器的光吸收率， 从而提高响应度。
降低暗电流
降低光电探测器在无光照条件下的电流输出，提高探 测率。
增加光敏面积
增大光敏面积可以增加探测器的接收光量，从而提高 响应度和探测率。
产生机制
1/f噪声的产生机制比较复杂，可能与光电探测器中的表面态和界 面态有关。
影响
1/f噪声在低频和高灵敏度的应用场景下影响较大，对于高频和低 光强度的应用场景影响较小。
04 光电探测器的应用
光学通信
01
利用光电探测器接收光信号，实 现高速、大容量信息传输。
02
在光纤网络、卫星通信和物联网 等领域有广泛应用。
3.1(zm) 光电子发射探测器
7
一、光电阴极的主要参数 1. 灵敏度 2. 量子效率 3. 光谱响应 4. 暗电流
8
1. 灵敏度
包括光谱灵敏度与积分灵敏度。 （1) 光谱灵敏度
定义在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时， 光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量φe,λ之比为光电阴 极的光谱灵敏度Se,λ。
S e,λ
IK = Φe,λ
20
特点： 特点：
1.高吸收，低反射性质； 2.高量子效率，50%~60%, 长波到达9%; 3.光谱响应可以达到1µm 以上； 4.冷电子发射光谱能量分 布较集中，比较平坦 5.暗电流小； 6.在可见、红外区，能获 得高响应度； 7.工艺复杂，售价昂贵。
21
乔建良； 常本康； 钱芸生等，负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究， 物理学报 2010年05期
19
采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。 采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。 NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似的，导带底上的电子 NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似的，导带底上的电子 能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者体内电子能量则不同。NEA 能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者体内电子能量则不同。NEA 发射体导带底的电子能量高于真空能级，而常规发射体电子亲和势仍是正的。 NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。 NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。 价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能 价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能 量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量 损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。 损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。 热电子的平均寿命非常短，约 10-14～10-12s。如果在这么短的时间内能够运动 到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分 电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。冷电子的平均 寿命比较长，约 10-9～10-8s，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷电子能 ，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷电子能 量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此 量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此 NEA量子效率比常规发射体高得多 NEA量子效率比常规发射体高得多。 量子效率比常规发射体高得多。
第2章 光电探测器概述-半导体物理基础知识
弱注入 Δn(t) =Δp(t)<< n0
2.非平衡载流子的寿命
以N型为例，计算弱注入条件下少子的寿命
dΔp (t ) − = rn0 Δp (t ) dt
τ c = 1 / (rn0 )
表明：
弱注入条件下，载流 子寿命与热平衡时多 子电子的浓度成反比， 并且在一定温度下是 一个常数。
Δp (Δ )t (0)e = p
电子共有化，能级扩展为能带
1．原子能级与晶体能带
N个原子
……
电子能量
禁 禁 (a) (b)
带 带
Eg
导带 Ec 价带 Ev
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
价电子（最外层电子）能级相对应的能带
1．原子能级与晶体能带
……
电子能量
N个原子
禁 禁 (a) (b)
带 带
Eg
导带 Ec 价带 Ev
导带Ec 禁带Eg 价带Ev
kT
本征和杂质半导体中的费米能级：
半导体费米能级推导
（a）本征半导体；（b）N型半导体； （c）P型半导体
用费米能级描述载流子分布－－ “标尺”
练习：画出轻掺杂N型和重掺杂N型费米能级示意图
热平衡状态下的载流子
总 结： 热平衡态
导带中电子的浓度
载流子的分布
价带中空穴的浓度 本征半导体
用费米能级Ef描述：
(a)本征半导体；
(b)N型半导体；
(c) P型半导体
杂质吸收：
N型半导体 施主 束缚电子导带
P型半导体 受主 束缚空穴价带
hc hc 1.24 1.24 ′ = ′ = (μm ) (μm ) 或 λ0 = = λ0 ∆ Ed ∆ Ed ∆ Ea ∆ Ea
光电探测器工作原理
光电探测器工作原理
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
它的工作原理基于光电效应和半导体材料的特性。
光电效应是指当光照射到物质表面时，能量足够大的光子会导致表面材料中的电子从价带跃迁到导带。
这个现象可以在金属和半导体材料中观察到。
在光电探测器中，使用的是半导体材料。
半导体材料通常被分为N型和P型两种，其中N型材料富含自由电子，而P型材料富含空穴（缺少电子的位置）。
当将这两种材料结合在一起时，形成了一个PN结。
PN结中，N 型和P型材料的自由电子和空穴会发生扩散和结合的过程，形成一个电势差。
当光照射到PN结上时，光子的能量会被电子或空穴吸收，导致它们跃迁到相应的能级。
如果光子的能量足够大，电子或空穴可以跃迁到对方的区域，称为光生载流子。
这些光生载流子会造成电子和空穴浓度的增加，从而改变PN结中的电势差。
这个电势差变化会导致电流的产生。
为了增强光电探测器的灵敏度和响应速度，通常会在PN结周围加上反射层和透镜，以便更好地收集和聚焦光线。
此外，探测器还可以通过外部电压来控制电势差的大小，从而调节电流的输出。
总的来说，光电探测器的工作原理就是利用光电效应在半导体
材料中产生光生载流子，从而导致电势差的变化，进而产生电流信号。
这种原理可以应用于许多领域，包括光通信、光谱分析、太阳能电池等。
光电探测器原理资料讲解
光电探测器原理光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。
现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。
光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。
他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光电子从低能态激发到高能态。
于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子，如图二所示。
硅光电探测器是利用内光电效应的。
由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。
无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关：E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。
光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。
目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。
半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。
但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。
而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。
一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多个能级。
如图三所示。
能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能带称为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。
光电探测器及光电导探测器
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒
5
二、光电探测器原理
光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件
光辐射量
光电探测器
电量
• 光电探测器利用材料的光电效应制成。 • 外光电效应、内光电效应。 • 光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均
属于内光电效应。
5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确 反映光信号的波形—探测器的响应时间。
6.当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能 线性地响应。
11
等效噪声功率和探测率
➢ 当入射功率小至使信号电流和噪声电流相等时， 信号与噪声难以分辨，器件就失去了探测辐射的 能力。因此要考虑器件的噪声，通常用噪声等效 功率NEP和探测率D*来描述器件的极限探测本领， 即最小可探测功率。
光电探测器及光电导探测器
1
光电探测器及光电导探测器
❖ 光电探测器的物理基础、分类 通常需考虑特性参数； 常用的光电导探测器原理和特性。 光电探测器的噪声
❖ 光电导探测器的电路偏置
2
光检测器件的分类
根据工作机理不同分为：光电探测器和热电探测器。
3
光检测器件
光电器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
光阴极 6
三、光电转换定律
➢ 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学 量，所以光电探测器实质上是一种光－电转换器件。
➢ 光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能
量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间t内，它产 生的平均光电子数为N，则根据量子理论分析的结果， N 与入射的平均光辐射能量成正比，即
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1
一．本征半导体
我们将第IV族（最外层轨道有四个电子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族 等价的化合物（GaAs、GaN等），且掺杂极少杂质的半导体的结晶，称之为本 征半导体（intrinsic semiconductor )
2
3
4
二．杂质半导体
（Extrinsic semiconductor）
·2. 在热激发条件下，少数价电子获得足够激发能，进入导带，产生_________。 A. 负离子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子-空穴对
·3. 半导体中的载流子为_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 电子和空穴
·4. N型半导体中的多子是_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 负离子
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1.内光电效应
（1）光电导效应 光辐射－载流子－电导率变化
光电导效应可分为本征光电导效应与非本征（杂质） 光电导效应两种：
➢本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产 生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生 光生自由空穴，从而使半导体的电导率发生变化。这 种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变 化现象称为本征光电导效应。
IL I0(e kT 1) I p
式中， I0为PN结反向饱和电流。
ID
Ip
P
N
qU
ID I0(e kT 1)
ID为光生电压下PN结的正向电流。
IL ＋ RL -
v
零偏工作原理
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（3) 光子牵引效应
当入射光子的频率不够高，不足以引起本征吸收或形成 激子时，半导体的自由载流子可以吸收光子从低能态跃迁到 较高的能态，这种跃迁与本征跃迁不同，是在同一能带内发 生，这种自由载流子在同一能带内的跃迁所对应的光辐射的 吸收称为自由载流子吸收。当光子与半导体中的自由载流子 作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着 光线的传播方向(玻印廷矢量方向)做相对于晶格的运动，就 好像光子牵引着自由载流子运动，从而在半导体内部将产生 电场，这个现象被称为光子牵引效应。
光生伏特效应
32
有光照射时，若PN结电路接负载电阻RL，如图，在PN结内出现两种相反 的电流：
➢光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与
光照有关，其方向与PN结反向饱和电流I0相同；
➢光生电流流过负载产生电压降，相当于在PN结施加正向偏置电压，从而产 生电流ID。
流过负载的电流IL为： qU
·5. P型半导体中的多子是_________。 A. 电子 B. 空穴 C. 正离子 D. 负离子
·6. 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于_________。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 D. 晶体缺陷
·7. 在杂质半导体中，少数载流子的浓度主要取决于_________。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 D. 晶体缺陷
25
BDDABCABAAB
答案
26
2. 2 光电效应和热电效应
27
一．光电效应
光子直接与物质中的电子作用，引起电子运 动状态的改变，从而使物体的电学性质改变。
内光电效应：
被光激发所产生的载流子（自由电子或空 穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生 变化或产生光生伏特的现象。 外光电效应
被光激发产生的电子逸出物质表面，形成 真空中的电子的现象.
11
在半导体中，电子获取势能后从价带跃迁到导带，导带中出现自由电子， 价带中出现自由空穴。
本征半导体
N型半导体
半导体能带图
P型半导体
12
EC
EC
EFi
EFi
EFp
EFp
EV
Ea
EV
Ea
（a）p型重掺杂
（a）p型轻掺杂
Ed
EC
Ed
EFn
EC EFn
EFi
EFi
EV （a）n型轻掺杂
EV （a）n型重掺杂
路时就有电流流过。 C. PN结方程可以描述PN结的正向特性和反向特性，也可以描述PN结的反向击穿特性。
·10.当PN结外加正向电压时，扩散电流_________漂移电流。 A. 大于 B. 小于 C. 等与 ·
11.当PN结外加反向电压时，扩散电流_________漂移电流。 A. 大于 B. 小于 C. 等于
非本征光电导的长波限（截止波长）
0 hc / Ei 或
Ei 为杂质电离能 通常，Ei<< Eg
0 (m) 1.24 / Ei (eV )
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（2）光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。
扩散：由PN结两边多子浓度差所形成的运动。
漂移：当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴 与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图所示的方 向进行漂移，形成光生伏特电压或光生电流。
➢非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子（n型）
或空穴（p型）吸收光子能量而产生光生载流子，从
而使半导体的电导率发生变化。这种现象称为非本征
光电导效应。
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光电导效应
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本征光电导的长波限（截止波长）
0 hc / Eg 或 00((mm))11..2244//EEgg((eeVV))
Eg 为本征半导体的禁带宽度
不同掺杂情况下费米能级的位置
13
三．PN结的形成及特性
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（drift） （diffusion）
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(depletion layer＆potential barrier) 16
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19
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3
（avalanche） （Zener）
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思考题
·1. 在绝对零度（0K）时，本征半导体中_________ 载流子。 A. 有 B. 没有 C. 少数 D. 多数
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(donor )
6
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（acceptor）
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二．能带（涉及“半导体光电子学”知识）
能带：一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条 带，称为能带 允许带：允许被电子占据的能带。允许带之间的范围是不允许 电子占据的。这一范围称为禁带。 价带：价电子所占据能带。价带可能被填满，也可能不被填满。 填满的能带称为满带． 导带：部分被电子占据的能带。
·8. 在下列说法中只有_________说法是正确的。 A. P型半导体可通过在纯净半导体中掺入五价磷元素而获得。 B. 在N型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以改型 为P型半导体。 C. P型半导体带正电，N型半导体带负电。 D. PN结内的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。
·9. 在下列说法中只有_________说法是正确的。 A. 漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。 B. 由于PN结交界面两边存在电位差，所以，当把PN结两端短