2016光电探测技术-第一章

敏感材料的自由载流子吸收：材料吸
收光子后不引起载流子数量的变化， 而是引起载流子迁移率的变化。 这类器件常需要在极低温度下工作，以 降低能量向晶格转移。
敏感材料基本光学特性
光电探测敏感材料的吸收机理
本征吸收 杂质吸收
h c h
c
h 电离能 Eg
c
E g c 为长波限。
《太赫兹科学与技术原理》
《太赫兹科学技术和应用》 《红外探测器（第二版）》 《窄禁带半导体物理学》 《薄膜技术与薄膜材料》 《红外成像阵列与系统》
国防工业出版社，2012
北京大学出版社，2007 机械工业出版社，2014 科学出版社，2005 清华大学出版社，2006 科学出版社，2006
课程介绍
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础 光电探测器特性参数
第二节：光电探测器用敏感材料
敏感材料基本光学性质
不同波段敏感材料的特点及选择
第三节：常见光电探测器的器件结构原理
按结构原理分类光电探测器 不同结构器件的工作原理
第一节：光电探测技术基础
光谱波段划分
紫外线（100～380nm）、可见光（380～760nm）、近红外线（ 0.76~30μm）、 太赫兹30μm ~ 3mm及X射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续 的电磁波谱。
半导体物理基础
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。
半导体物理基础
发光二极管
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
发光二极管
第一节：光电探测技术基础
（2） 外加反向电压 （反偏）
在PN结上加反向电压，外电场与 内电场的方向一致，扩散与漂移运动 的平衡同样被破坏。外电场驱使空间 电荷区两侧的空穴和自由电子移走， 于是空间电荷区变宽，内电场增强， 使多数载流子的扩散运动难于进行， 同时加强了少数载流子的漂移运动， 形成由N区流向P区的反向电流。由于 少数载流子数量很少，因此反向电流 不大，PN结的反向电阻很高，即PN结 处于截止状态。
敏感材料基本光学特性
光电探测敏感材料的吸收机理
敏感材料的本征吸收：入射辐射的光
子能量大于半导体禁带宽度，使电子 从价带激发到导带而改变其光电导率。 其优点是工作温度比非本征型高。
敏感材料杂质吸收：入射辐射激发杂
质能级上的电子或空穴而改变其电导 率。其优点是长波效应较好。
半导体的光激发过程 (a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收
第一节：光电探测技术基础
（3） 零偏（光照下）
半导体物理基础
背光源 偏振片
液 晶
偏振片
TN-LCD
第一节：光电探测技术基础
什么是光电效应
某些固体受到光的作用后，其中的电子直接吸收光子能 量而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学 参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。
第一节：光电探测技术基础
外光电效应：
外光电效应
当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会 被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大， 吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面， 这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称 为外光电效应。
第一节：光电探测技术基础
外光电效应
当敏感材料表面在特定的光作用下，敏感材料会吸收光子并 发射电子。光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高 于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极 限波长。临界值取决于材料，而发射电子的能量取决于光的 波长而非光的强度，这一点无法用光的波动性解释。
第一节：光电探测技术基础
光磁电效应
光磁电效应
光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在，
则半导体表面附近产生的电子－空穴对在半导体内部扩散的 过程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电 位差，这种现象为光磁电效应。
利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有 Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。
关于光的速度
敏感材料基本光学特性
光的反射
敏感材料基本光学特性
光的折射
敏感材料基本光学特性
光的色散与散射
敏感材料基本光学特性
光的色散与散射
敏感材料基本光学特性
材料的透射性
敏感材料基本光学特性
光的吸收
以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收 能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。 其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能， 使器件温度升高，使热激发载流子运动的速 度加快，而不会改变半导体的导电特性。
第一节：光电探测技术基础
热电效应
热电效应
德国物理学家赛贝克用两种不同金属导体组成闭合回路，并用酒精灯
加热其中一个接触点，发现回路的指针发生偏转，但如果同时对两个 接触点加热，指针的偏转角反而减小。（热电效应或塞贝克效应）
热电偶基本定律： （1）若A与B相同，无论两接点温度如何，回路总热电势为零； （2）若T=T0，回路总热电势为零； （3）热电势输出只与两接点温度及材料性质有关，与A、B的中间各 点的温度、形状及大小无关。
第一节：光电探测技术基础
热释电效应
热释电效应
对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化
（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方 向产生表面极化电荷的现象。宏观上是温度的改变在材料的两端出现 电压或产生电流。
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
半导体物理基础
光电二极管
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
♫ 外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小 于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能 量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴 对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区 ，空穴被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个 扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与 导电。光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下 ，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号 ，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
适合受众：
攻读硕士与博士研究生的同学； 参加工作的同学。
课程介绍
参考书目：
《半导体器件物理（第3版）》 施敏 (S.M.SZE) 《光电探测技术与应用》 《军用紫外探测技术及应用》 郝晓剑，李仰军 许强 李允植 (Yun-Shik Lee) 许景周 Antoni Rogalski 褚君浩 田民波 常本康，蔡毅 西安交通大学出版社，2008. 国防工业出版社，2009 北京航空航天大学出版社， 2010
PN结的能带结构
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础
ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
PN结上加正向电压，外电场与内 电场方向相反，扩散与漂移运动平衡 被破坏。外电场驱使P区空穴进入空间 电荷区抵消一部分负电荷，同时N区自 由电子进入空间电荷区抵消一部分正 电荷，则空间电荷区变窄，内电场被 削弱，多子的扩散运动增强，形成较 大的扩散电流（由P区流向N区的正向 电流）。在一定范围内，外电场愈强， 正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻 很低，即PN结处于导通状态。
第一节：光电探测技术基础
光伏效应应用
内光电效应
第一节：光电探测技术基础
光电导效应
内光电效应
第一节：光电探测技术基础
光电导效应 光激发：产生空穴、电子，跃迁到导带。 杂质半导体：
内光电效应
n 型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入导带参与导 电。
p 型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量跃迁受主能 带，使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数：灵敏度、弛豫时间（惰性） 、光谱分布等。
电学信号
信号处 理电路
视频信号
显示设备
景物辐射 探测对象
大气传输
光学系统
显示 显示 记录 传输、执行 信号处理
探测器
信号读出
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
我们将第IV簇（最外层轨道有四个电子）（Si、Ge、SiGe）、III-V簇（GaAs、 GaN等）、以及II-VI簇（ZnO、CdS等）化合物，且掺杂极少杂质的半导体的结 晶，称之为本征半导体（intrinsic semiconductor )
光伏效应
内光电效应
光伏效应：在半导体 P-N结及其附近区域吸收能量足够 大的光子后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自 由电子或空穴）它们在结区附近靠扩散进入结区，而在 结区内则受内建电场的作用，电子漂移到 N区，空穴漂 移到 P 区，如果 P-N 结开路，则两端会产生电压。这种 现象为光生伏特效应。
半导体对光的吸收主要是本征吸收
1.24 L ( m) 本征型光敏电阻的长波限： Eg
< c
1.24 ( m) ED 由于Eg>>ΔEd，所以掺杂型半导体光敏电阻对红外波段较为敏感。
第一节：光电探测技术基础
不同光谱的特点与应用
第一节：光电探测技术基础
光的三原色
“红、绿、蓝”??? 红、绿、蓝三种色光无法被分解， 故称“三原色光”
太阳光谱
第一节：光电探测技术基础
牛顿与歌德光学之争
《颜色论》
第一节：光电探测技术基础
光电探测系统工作原理
光 学 系 统 光电探测对象
光学信号
光 电 探 测 器
光子能量 = 移出一个电子所需 的能量 + 被发射的电子的动能。
第一节：光电探测技术基础
内光电效应：
内光电效应
内光电效应是由于光量子作用，引发物质电化学性质变 化（比如电阻率改变，这是与外光电效应的区别，外光 电效应则是逸出电子）。内光电效应又可分为光电导效 应和光生伏特效应。
第一节：光电探测技术基础
学习各种光电探测元、部件构成系统的光学、电子学和系统成像原理。
了解光电探测技术在军事上和国民生产经济中的应用。
提 纲
3 1
第一章：光电探测技术概述 第二章：紫外与可见探测技术 第三章：近红外探测原理与技术 第四章：红外探测技术
2
3 3
4
3 5
第五章：太赫兹探测技术
第一章：光电探测技术概述
光电探测技术
授课教师：吴双红
1
课程介绍
课程特点： 涉及的知识面广
针对紫外、可见、近红外、红外到太赫兹各光谱段的光电探测技 术的系统讨论，涉及器件物理、工程光学、半导体材料、电路与 系统、数字图像处理等知识。
内容多、涉及的技术发展较快 课程目的：
基础课程的理论联系实际能力的培养； 学会系统工程的分析设计； 拓宽知识面； 对今后的工作有一定参考价值。
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
第一节：光电探测技术基础
光电探测器特性参数
第二节：光电探测器用敏感材料
材料的光学性能
敏感材料基本光学特性
敏感材料基本光学特性
考核方式:
考核方法：开卷笔试、专题论文；
笔试成绩50％，专题论文30％， 平时成绩20％；
教学目的：
系统学习光电探测中的敏感材料、敏感机理、器件结构的设计、器件的 物理原理、应用及发展前景进行全面的学习和了解； 掌握器件原理与技术，国内外发展动态，从而为相关技术的研究打下理 论基础；
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
（Extrinsic semic半导体物理基础
(donor )
15
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
（acceptor）
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础
第一节：光电探测技术基础
半导体物理基础
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
P型半导体
半导体能带图
第一节：光电探测技术基础
载流子的漂移与扩散
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础
PN结的形成
半导体物理基础
第一节：光电探测技术基础