光电技术基础第四节

当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向 时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射 辐射通量为Φe,λ的辐射作用于PN结上，则有电流I 流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U， 流过负载电阻的电流应为
I I I D (e
qU KT
1)
（1-89）
式中， IΦ为光生电流，ID为反向饱和电流。 从（1-89）式也可以获得IΦ的另一种定义， 当U=0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短路电 流，并有
1.12、光电探测器的物理效应
要探知一个客观事物的存在及其特性，一般 都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成 的。对光辐射量的测量也是这样。 在光电子技术领域，光电探测器有它特有的 含义。大多数光探测器都是把光辐射量转换成电 量来实现对光辐射的探测的。即便直接转换量不 是电量，通常也总是把非电量(如温度、体积等) 再转换为电量来实施测量。 从这个意义上说，凡是把光辐射量转换为电量(电 流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。 了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是 了解光探测器工作的基础。
吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子 扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那 么大部分光生电子都能扩散进p-n结，一进入p-n结， 就被内电场扫向n区。这样，光生电子—空穴对就 被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散 流向n区。这时用电压表就能量出p区正n区负的开 路电压u0，称为光生伏特效应，如果用一个理想电 流表接通p-n结，则有电流i0通过，称为短路光电 流。
（1-92）
光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ， 因此，常将其忽略。光电二极管的电流与入射辐射 成线性关系
q d I (1 e )Φe, h
象，称为外光电效应，逸出的电子称为光电子，光电子 形成的电流称为光电流；光照射在其它半导体材料上时， 1. 光电导(本征和非本征) 光导管或光敏电阻 被光激发的载流子仍在物质内部运动，增加其电导率或 2. 光生伏特 产生电势差，这种现象称为内光电效应。 PN结和PIN结(零偏) 光电池
PN结和PIN结(反偏) 雪崩 肖特基势垒 异质结 3.光电磁 光子牵引 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器
Ne, K f (np pni npi ) （1-79）
下面分为两种情况讨论：
（1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δ n远小 于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δ p远小于热 激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点， Δ n=Δ p，式（1-79）可简化为 dn N e, K f n(ni pi ) dt
光电导效应 光电导效应只发生在某些半导体材料中， 金属没有光电导效应。 1、半导体材料的电导概念： 金属之所以导电，是由于金属原子形成晶 体时产生了大量的自由电子。自由电子浓 度n是个常量，不受外界因素影响。 半导体和金属的导电机构不同，在0K时， 导电载流子浓度为零。在0K以上，由于热 激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)， 在扩散过程中又有复合作用，产生与复合 的电子空穴对数目相等，达到动态平衡。
内光电效应
Байду номын сангаас
二、光热效应和光子效应的区别
所谓光子效应，是指单个光子的性质对产生 的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的 内部电子状态的改变。 光子能量的大小，直接影响内部电子状态改 变的大小。因为，光子能量是h ν,h是普朗克 常数，ν是光波频率。 所以，光子效应就对光波频率表现出选择 性，在光子直接与电子相互作用的情况下， 其响应速度一般比较快。
p-n结的基本特征是它的电学不对称性，在 结区有一个从n侧指向p侧的内建电场存在。
热平衡下，多数载流子（n侧的电子和p侧的 空穴）的扩散作用与少数载流子（n侧的空穴和p 侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没 有净电流通过p-n结。用电压表量不出p-n结两端 有电压，称为零偏状态。 如果p-n结正向偏置(p区接正，n区接负)，则 有较大正向电流通过p-n结。如果p-n结反向电压 偏置(p区接负，n区接正)，则有一很小的反向电 流通过p-n结，这个电流在反向击穿前几乎不变
利用初始条件t = 0时，Δ n = 0，解微分方程得
n N e, (1 e
t

)
（1-80）
式中τ =1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。
由式（1-80）可见，光激发载流子浓度随时间按 指数规律上升，当t>>τ 时，载流子浓度Δ n达到 稳态值Δ n0，即达到动态平衡状态
n0 Ne,
nq qNe,
半导体材料的光电导g为 bd qbd g Ne,
l l
（1-81）
光激发载流子引起半导体电导率的变化Δ σ为 （1-82）
式中μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。
（1-83）
可以看出，在弱辐射作用下的半导体材料的电导与 入射辐射通量Φe,λ成线性关系。 求导可得
一、光热效应和光子效应概述
光电探测器的物理效应通常分为两大类：光 子效应和光热效应。在每一大类中有可分为 若干细目，如表所列。 表1 光热效应分类
效应 1.测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 2.温差电 3.热释电 4.其它 相应的探测器
热敏电阻测辐射热计 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热电探测器 高莱盒，液晶等
综合上述，光照零偏p-n结产生开路电压的效应， 称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。
P
is
iφ
RL U RL V
(a)
(b)
(c)
(d)
有光照时，在PN结外电路接上负载电阻RL， PN结内出现两种相反的电流：一种是光激发产生 的电子－空穴对形成的光生电流IΦ，其方向与PN结 的反向饱和电流ID相同；另一种是由于光照在pn结 两端产生光生电动势，相当于在pn结两端加正向电 压U，产生正向电流IS 。
q I sc I (1 e d )Φe, h
（1-90）
同样，当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路
电压UOC为
U OC
KT I ln( 1) q ID
（1-91）
在光照反偏条件下工作时，通常称为光电二极管。
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
I=IΦ+ID
rt K f ni pi
（1-77）
在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相 等。即
Ne, K f ni pi K f (n ni )(p pi )
（1-78）
在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于 载流子的总产生率与总复合率的差。即
dn Ne, K f ni pi K f (n ni )(p pi ) dt
通量为Φe,λ 的单色辐射入射到如图1-10所示的 半导体上，波长λ 的单色辐射全部被吸收，则光敏 层单位时间所吸收的量子数密度Ne,λ应为
Φe, hbdl
N e,
(1-73)
光敏层每秒产生的电子数密度Ge为
Ge Ne,
（1-74）
在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与
三、光子效应
在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生 数目正好等于因复合而消失的数目。 因此在半导体中维持着一个热平衡的电子浓 度n和空穴浓度p，他们的平均寿命分别用 n 和 p 表示。 无论何种半导体材料， 2 np ni 下式一定成立，即 式中ni是对应温度下本征半导体中的本征热 生载流子浓度，它是温度的函数（见模电 教材）。
2、光电导效应 光电导效应可分为本征光电导效应与杂质 光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价 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。光生电子与空穴使半导体的电导 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。
表2 光子效应分类
效应 相应的探测器
1. 光阴极发射光电子 光电管 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 外光电效应 2.光电子倍增 在光照射下引起的电效应，统称为光电效应。光照射在 气体繁流倍增 充气光电管 打拿极倍增 光电倍增管 金属表面时，金属中有电子逸出，形成真空中电子的现 通道电子倍增 象增强管
1 K f N e,
为强辐射作用下载流子的平均寿
强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射 辐射通量间的关系为
bd 1 e2, g q hK l 3 f
1 2
（1-87）
抛物线关系。 进行微分得
1 1 bd e,2 dg q d e, 3 2 h K l f
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光 辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变， 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起 探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测 元件的电学性质或其它物理性质发生变化。 所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接 关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。 只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也 就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的 响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化 的影响。
在零偏条件下如果照射光的波长λ满足条件
1.24 (μm) Ei (eV)
无论光照n区或p区，都会激发出光生电子—空穴对
光照p区，如图所示。 由于p区的多数载流子 光 是空穴，光照前热平衡 空穴浓度本来就比较大。
结区


i
n

p

无光照
光生伏特 u0 V i0短路光电流

光照下
因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。相反，光 生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（
（2）在强辐射的作用下，Δ n>>ni，Δ p>>pi （1-79）式可以简化为
dn Ne, K f n2 dt
利用初始条件t = 0时，Δ n = 0，解微分方程得
N e, n K f 2 tanh t
1
（1-86）
式中， 命。

结区
id
R Rd
p
n u u
o + is
o
，称为反向饱和电流。p-n结的这种伏安特性如 图所示。图中还给出了p-n结电阻随偏置电压的 变化曲线。p-n结的伏安特性为
is iD (e
eU / KT
1)
iD是反向饱和电流，指数因子中的e是 电子电荷量，U是偏置电压（正向偏置为正，反向 偏置为负），K是波尔兹曼常数，T是绝对温度。
bd qbd g Ne, l l
q dg de, 2 hl
d g q Sg 2 d e, hcl
N e,
Φe,
hbdl
由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg
（1-85）
可见，在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为 与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l 的平方成反比。
1 2
（1-88）
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
光生伏特效应 如果光导现象是半导体材料的体效应，那么 光伏现象则是半导体材料的“结”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，实现光伏效应可以 是PN结、PIN结，肖特基势垒结以及异质结等。 这里我们主要讨论PN结的光伏效应，它不仅最简 单，而且是基础。
热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率
应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和
Ge Gt Ne, rt
（1-75）
导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为
R K f (n ni )(p pi )
（1-76）
式中，Kf为载流子的复合几率，Δ n为导带中的光 生电子浓度，Δ p为价带中的光生空穴浓度，ni与 pi分别为热激发电子与空穴的浓度。 同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及空 穴浓度pi的乘积成正比。即