内光电效应探测器件

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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：
I
Ip
Is
e
eV kT
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：
V
kT e
ln
I
p Is
I
1
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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。
B 1 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 光电管
本征型
光子探测
效应
光电倍增管
单晶型 掺杂型
光 电
传感器件 （基于量 子效应）
内光电
光敏电阻
多晶型
（基于光电导效应） 合金型
探
效应
测 传
这类器件特点: ①. 响应快,响应时间一
通量。
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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) N 0 (1 r)e x
lxly x
h lxly
它是x的函数，因此沿着x方向的电流密度
(A/m2)为：
l x
J e g(x)dx (1 r)e
0
lx e xdx
0
h lxly 0
(1 r)e 0 (1 elx ) h lxly
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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：
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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：
EA E0 EC 半导体光电发射体的
简化能带模型 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。
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
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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。
辐射。
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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。
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.
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
的光电子只需克服有效电子亲和势为：
EAef E0 EC1 EA2 Ed EA1
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
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耗尽区
EV2
表面：N型
:
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。
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。
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。
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
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基板电极
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
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？
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天花板上的火 灾报警器
许多会议室、 宾馆房间的天花板 上都装有火灾报警 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。
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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：
E
mV 2
2
max
h
W
V表示光电子的速度，h是普朗克常数。
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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。
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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：
N
(x) h
x
0 (1 r)ex h
x计算光电子产生示意图
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
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。
感 般为几十纳秒到几
器 百微妙.
光生伏特效应 （基于光生伏 特效应）
光敏二极管 光敏晶体管 光电池 雪崩光电管
②.响应波长有
选择性,这些器 件都存在某一
截止波长λ,若超 过此波长,器件 无响应.
件 热电探测 热电堆 传感器件 热电偶 （基于热 热释电探测器 效应） 热敏电阻
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;
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。
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3.1.3 二次电子发射的基本原理
一般认为，二次电子发射特性与一次电子
能量有关，即存在函数关系。
当一次电子能量较低时，受
二次电子发射系
激的电子数不多，所以δ较小。
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。
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3.1.2 光电效应
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
W h
0
c
0
ch 1240 /W W
（nm）
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。
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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。
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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
第三章 内光电效应探测器件
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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
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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。
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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：
IK SK
SK：表征光电发射灵敏度的系数(光电阴极的光照
灵敏度)。
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。
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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。
I sc
IP
e h
PN结光电效应
wenku.baidu.com
如在PN结上加上电压V后， 流过PN结的电流为：
eV
I I s e kT 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。
数一般形式
一次电子能量增加时，受激电
子数目很快增加，虽然逸出几率
二 次
发
有些降低，但总效果是δ增加。
射 系
数
当一次电子能量相当大时，逸 δ
出几率很低，尽管受激电子数目
电子能量(Ee)
较多，总的效果δ还是较小。
再进一步增加一次电子能量，δ逐渐减小。
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3.1.3 二次电子发射的基本原理
在二次发射体中，当一次电子能量较大时， 受激电子产生在一个相当大的深度范围内。
e为电子电荷；lx为吸收层厚度。
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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 (1 r)(1 ex ) 0 / h
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
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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。