光电效应基础理论
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Δf
光敏二极管的本征响应带宽由载流子在电场区的渡越时间ttr决定，而载流 子的渡越时间与电场区的带宽W和载流子的漂移速度Vd有关。由于载流子 渡越电场区需要一定的时间ttr，对于高速变化的光信号，光敏二极管的转 换效率就相应的降低。
光敏二极管的本征响应带宽Δf为在探测器入射光功率相同的情况下，接收 机输出高频调制响应与低频调制响应相比，电信号功率下降一半时的频率， Δf与上升时间τr成反比
雪崩光电二极管
根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场 达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电 子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰 撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。
某些物质吸收光子的能量时产生本征吸收或杂质吸收， 从而电导率发生改变的现象，称为物质的光电导效应。
利用具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光 度量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻，光电导效 应即发生在某些半导体材料中。金属材料不会发生光电导 效应。
光电效应
光电效应
光子受激发射
Ec
初始光
hν
实现光伏效应需要有内部电势垒。当照射光激发出电 子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子-穴对分开，从而 在势垒两侧形成电荷堆积，产生光伏效应。这个内部电势 垒可以是PN结、PIN结、肖持基势垒结、异质结等。
光电效应
光电效应
光电效应
E02 E12 2E0E1 cos(t 1 0 )
光电效应
响应度和量子效率
光电效应必须满足的条件
h Eg hc
Eg
光生电流Ip与产生的电子-空穴对和这些载流子运动的速度有关。 也就是说，直接与入射光功率Pin成正比，即
IP RPin
R是光探测器响应度，单位A/W。可用量子效率η表示，定义η为每 秒产生的电子数与每秒入射的光子数之比
子不能逸出金属表面.只要光子的
1
2
频率满足,电子一次性吸收光子的
能量,无需积累能量时间,就会立即
逸出金属表面,是”瞬时的”
光电效应显示了光的微粒特性,光
3
4
子与电子相互作用时,电子吸收了
光子的全部能量,光子也是构成物
h 1 mu2 A 质的一种微光粒子.
2
光电效应的爱因斯坦方程
光电效应
光电导效应
j0t
E (t )e
j0t
Re V
(t)
V (t) e(t) exp( j0t)
每个电子受到该光场激励的跃迁几率与V(t)V*(t)成正比
Wab V (t)V *(t) V (t)V *(t) 2e2 (t)
光电效应
a hν
b
考虑由场
e(t) E0 (t) cos(0t 0 ) E1(t) cos(1t 1)
阳极A:是由金属丝网做成的
电位器R:用来调节加在光电管两端的电势差U的大小
伏特计U和电流计G:分别用来测量加在光电管上的电势差 和通过光电管的光电流
光电效应的实验
当光子照射到阴极K的金属表面上时，它的能量被金 属中的电子全部吸收，如果光子的能量足够大，大 到可以克服金属表面对电子的吸引力，电子就能跑 到金属表面，在加速电场的作用下，向阳极A移动 而形成电流
f3dB
0.35
r
0.44 Vd W
雪崩二极管的本征响应带宽与倍增系数有关，则本征响应带宽Δf为 f τe为等效渡越时间，M0为雪崩二极管的低频倍增系数
f3dB
1
2 eM 0
光电效应
PIN光电二极管
光
能级
光
P+
I
N+
w
在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形 成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动 方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结 界面附近形成耗尽层。当入射光作用在PN结时，如果 光子的能量大于或等于带隙，便发生受激吸收，即价 带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空 穴对。
现代光电子技术
光电效应
光电效应
光电探测
当光照射到物体上时．可使物体发射电子或电导率发生变化， 或产生光电动势等。这种因光照而引起物体电学特性的改变统称 为光电效应。尽管光电效应的发现距今已有一百多年，但只是在 近十多年来才变得日益重要。
光电效应可分为两种：外光电效应和内光电效应。
光电效应
阴极K:光电管是一个抽成真空的玻璃泡, 内表面的一部分涂有感光金属层作为阴极
在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运 动，空穴向P区运动，形成光生漂移电流。
在耗尽层两侧时没有电场的中性区，由于热运动， 部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层， 然后在电场作用下，形成和漂移电流方向相同的光生 扩散电流。
光生漂移电流分量和光生扩散电流分的总和即为 光生电流。
光电效应
光
Ev
导带
hν 输出光
hν
价带
占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带 （价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能 量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，这时发出的
光，其波长基本上由能带差ΔE所决定。
光子受激吸收
Ec hν
导带
吸收光子后产生 电子（输出电流）
Ev
价带
如果把光子能量大于hν的光波照射到占据低 能带Ev的电子上，则电子吸收该能量后被激 励跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外 加电场后，就可以在外电路上取出处于高能
光电效应
光子的 能量
h
运动光子 的质量
m
c2
h
c2
运动光子 的动量
p mc h h c
光子的频率为红限频率时,光电子
刚好逸出金属表面,电子初动能为
零,由爱因斯坦方程有:
0
A h
当入射光强度大时,单位时间内电 子吸收的光子数就多,光电流就大, 光电流与入射光强度成正比.
光子的频率小于红限频率时,光电
光电效应
雪崩光电二极管
倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍 数来描述它的放大作用，并把倍增因子g定义为雪崩二极管输出光电流Io和一次光生电流IP的比值
g Io IP
显然，雪崩二极管的响应度比PIN增加了g倍
光电效应
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光伏效应
光伏效应是少数载流于导电的光电效应，而光电导效 应是多数载流子导电的光电效应
带Ec上的电子，使光能转变为电流
光电效应
a hν
b
电信号与光场引起的电子的激励速率成正比，这种激发涉及使 电子从某一起始束缚态a跃迁到一个（或一组）终态b，在该态 中电子可以自由移动并且形成电流。 每个电子从态a到态b的跃迁速率与光强的关系。 假设入射光场具有近乎正弦变化的形式
e(t)
1 2
E (t )e
引起的跃迁速率问题
e(t) Re(E0e j(0t0 ) E1e ) j(1t1)
Re (E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
1 0 = 0
V (t)
(E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
Wab (E0e j0 E1e j(t1) )(E0e j0 E1e j(t1) )
IP / q h R Pin / h q
R q h 1.24
光电响应度R随波长的增长而增加，这是因为光子能量减小时可以 产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保 持，当光子能量变得比禁带能量Eg小时，无论输入光多强，光电 效应也不会发生，此时η为零
光电效应
响应带宽
PHF/PLF 1 0.5
光敏二极管的本征响应带宽由载流子在电场区的渡越时间ttr决定，而载流 子的渡越时间与电场区的带宽W和载流子的漂移速度Vd有关。由于载流子 渡越电场区需要一定的时间ttr，对于高速变化的光信号，光敏二极管的转 换效率就相应的降低。
光敏二极管的本征响应带宽Δf为在探测器入射光功率相同的情况下，接收 机输出高频调制响应与低频调制响应相比，电信号功率下降一半时的频率， Δf与上升时间τr成反比
雪崩光电二极管
根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场 达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电 子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰 撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。
某些物质吸收光子的能量时产生本征吸收或杂质吸收， 从而电导率发生改变的现象，称为物质的光电导效应。
利用具有光电导效应的材料可以制成电导率随入射光 度量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻，光电导效 应即发生在某些半导体材料中。金属材料不会发生光电导 效应。
光电效应
光电效应
光子受激发射
Ec
初始光
hν
实现光伏效应需要有内部电势垒。当照射光激发出电 子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子-穴对分开，从而 在势垒两侧形成电荷堆积，产生光伏效应。这个内部电势 垒可以是PN结、PIN结、肖持基势垒结、异质结等。
光电效应
光电效应
光电效应
E02 E12 2E0E1 cos(t 1 0 )
光电效应
响应度和量子效率
光电效应必须满足的条件
h Eg hc
Eg
光生电流Ip与产生的电子-空穴对和这些载流子运动的速度有关。 也就是说，直接与入射光功率Pin成正比，即
IP RPin
R是光探测器响应度，单位A/W。可用量子效率η表示，定义η为每 秒产生的电子数与每秒入射的光子数之比
子不能逸出金属表面.只要光子的
1
2
频率满足,电子一次性吸收光子的
能量,无需积累能量时间,就会立即
逸出金属表面,是”瞬时的”
光电效应显示了光的微粒特性,光
3
4
子与电子相互作用时,电子吸收了
光子的全部能量,光子也是构成物
h 1 mu2 A 质的一种微光粒子.
2
光电效应的爱因斯坦方程
光电效应
光电导效应
j0t
E (t )e
j0t
Re V
(t)
V (t) e(t) exp( j0t)
每个电子受到该光场激励的跃迁几率与V(t)V*(t)成正比
Wab V (t)V *(t) V (t)V *(t) 2e2 (t)
光电效应
a hν
b
考虑由场
e(t) E0 (t) cos(0t 0 ) E1(t) cos(1t 1)
阳极A:是由金属丝网做成的
电位器R:用来调节加在光电管两端的电势差U的大小
伏特计U和电流计G:分别用来测量加在光电管上的电势差 和通过光电管的光电流
光电效应的实验
当光子照射到阴极K的金属表面上时，它的能量被金 属中的电子全部吸收，如果光子的能量足够大，大 到可以克服金属表面对电子的吸引力，电子就能跑 到金属表面，在加速电场的作用下，向阳极A移动 而形成电流
f3dB
0.35
r
0.44 Vd W
雪崩二极管的本征响应带宽与倍增系数有关，则本征响应带宽Δf为 f τe为等效渡越时间，M0为雪崩二极管的低频倍增系数
f3dB
1
2 eM 0
光电效应
PIN光电二极管
光
能级
光
P+
I
N+
w
在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形 成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动 方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结 界面附近形成耗尽层。当入射光作用在PN结时，如果 光子的能量大于或等于带隙，便发生受激吸收，即价 带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空 穴对。
现代光电子技术
光电效应
光电效应
光电探测
当光照射到物体上时．可使物体发射电子或电导率发生变化， 或产生光电动势等。这种因光照而引起物体电学特性的改变统称 为光电效应。尽管光电效应的发现距今已有一百多年，但只是在 近十多年来才变得日益重要。
光电效应可分为两种：外光电效应和内光电效应。
光电效应
阴极K:光电管是一个抽成真空的玻璃泡, 内表面的一部分涂有感光金属层作为阴极
在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运 动，空穴向P区运动，形成光生漂移电流。
在耗尽层两侧时没有电场的中性区，由于热运动， 部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层， 然后在电场作用下，形成和漂移电流方向相同的光生 扩散电流。
光生漂移电流分量和光生扩散电流分的总和即为 光生电流。
光电效应
光
Ev
导带
hν 输出光
hν
价带
占据高能带（导带）Ec的电子跃迁到低能带 （价带）Ev上，就将其间的能量差（禁带能 量）Eg=Ec-Ev以光的形式放出，这时发出的
光，其波长基本上由能带差ΔE所决定。
光子受激吸收
Ec hν
导带
吸收光子后产生 电子（输出电流）
Ev
价带
如果把光子能量大于hν的光波照射到占据低 能带Ev的电子上，则电子吸收该能量后被激 励跃迁到较高的能带Ec上。在半导体结上外 加电场后，就可以在外电路上取出处于高能
光电效应
光子的 能量
h
运动光子 的质量
m
c2
h
c2
运动光子 的动量
p mc h h c
光子的频率为红限频率时,光电子
刚好逸出金属表面,电子初动能为
零,由爱因斯坦方程有:
0
A h
当入射光强度大时,单位时间内电 子吸收的光子数就多,光电流就大, 光电流与入射光强度成正比.
光子的频率小于红限频率时,光电
光电效应
雪崩光电二极管
倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍 数来描述它的放大作用，并把倍增因子g定义为雪崩二极管输出光电流Io和一次光生电流IP的比值
g Io IP
显然，雪崩二极管的响应度比PIN增加了g倍
光电效应
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光伏效应
光伏效应是少数载流于导电的光电效应，而光电导效 应是多数载流子导电的光电效应
带Ec上的电子，使光能转变为电流
光电效应
a hν
b
电信号与光场引起的电子的激励速率成正比，这种激发涉及使 电子从某一起始束缚态a跃迁到一个（或一组）终态b，在该态 中电子可以自由移动并且形成电流。 每个电子从态a到态b的跃迁速率与光强的关系。 假设入射光场具有近乎正弦变化的形式
e(t)
1 2
E (t )e
引起的跃迁速率问题
e(t) Re(E0e j(0t0 ) E1e ) j(1t1)
Re (E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
1 0 = 0
V (t)
(E0e j0
E e )e j(t1 ) j0t 1
Wab (E0e j0 E1e j(t1) )(E0e j0 E1e j(t1) )
IP / q h R Pin / h q
R q h 1.24
光电响应度R随波长的增长而增加，这是因为光子能量减小时可以 产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保 持，当光子能量变得比禁带能量Eg小时，无论输入光多强，光电 效应也不会发生，此时η为零
光电效应
响应带宽
PHF/PLF 1 0.5