光电材料课件 第四章

zd
D
d
p
dz
Sv
p
微分方程的解为：
p
Qs
D L
ch
d
L
z
Sv
sh
d
L
z
D2 L2
Sv2
sh
d L
2SvD L
ch
d L
响应度为：
R
1
ep 1
hwd
b0E
D
D L
sh
d L
Sv
1
ch
d L
L
D2 L2
Sv2
sh
d L
2SvD L
ch
d
L
要提高器件的响 应度应尽量降低 表面复合速度SV 并尽可能减少d
光电导探测器的特点
①光谱响应：紫外－－远红外 ②工作电流大，可达数毫安 ③可测强光，可测弱光 ④灵敏度高，光电导增益大于1 ⑤无极性
第一节：本征光电导和杂质光电导
1、光电导产生的原因
半导体的电导率 enn epp
暗（无光照时）电导率
0 en0n ep0 p
光照时的电导率
en0 nn ep0 Pp
温度降低到一定程度后，再降低温度，响应度也不会再提高了
②在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于背景辐射产生 的电子浓度，可以通过减小受主浓度来提高响应度
αd<<1的条件下，响应度与厚度无关。通常大多是想办法通过多次 全反射延长光信号在探测器中的路程以增强器件对信号的吸收
7）光谱特性
可见光区灵敏的几种光敏电阻
归纳：提高光电导探测器响应度的措施
R
1
ep 1
hwd
b0E
提高载流子寿命τ
降低无信号时的载流子浓度——低温、滤除杂散光
提高光电转换量子效率
适当提高外加电场
适当减少探测器厚度
镀增透膜 表面钝化处理、光电导层与衬底之间过渡层
5） 本征光电导的时间响应
光电导的响应与光生载流子Δn（ Δp）成正比
h Eg
hc 1.24
Eg Eg
c
hc Eg
1.24 Eg
为红限波长
杂质光电导探测器
入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率
h ED
1.极低温度下工作； 2. 常用N型
h EA
杂质光电导与本征光电导比较
1、杂质吸收和光电导的长波限比本征吸收和光电导长波限要大得多 2、杂质吸收和杂质光电导比本征吸收和本征光电导弱得多 3、杂质光杂电质导浓必度须通低常温比下主工晶作格以原避子免浓杂度质要中小心好的几热个电数离量并级使暗电导保持低值
总结：
直接复合本征光电导的光电响应线性度
在光强度低时得到线性响应
n p q1 2bn0
1
在光强度高时得到较低的亚线性响应 n n q1 2
b
B）通过复合中心进行间接复合的情况
dn dt
1 ( Nt
nt )n
01
exp
qE1 kT
nt
q1
dp dt
2nt
p
02
exp
第四章
光电导材料及器件
一、光电导型探测器简介
数码相机为什么能实现自动曝光？
光控开关
光敏电阻结构示意图
光电导材料
硫化物、氧化物、卤化物 常用材料 CdS、CdSe、PbS、 InSb、TeCdHg
CdS的应用最多 PbS、TeCdHg主要用于军事
光电导探测器的定义及特点
利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器，简称PC （Photoconductive）探测器－－又称为光敏电阻
稳态非平衡载流子数
NS
Q e
E
h
(1
R) e
PS
Q p
E
h
(1
R) p
稳态光电导
gS
e
NSe L2
PS p
eQ
e e L2
p
p
稳态光电流
IS
UgS
eU
e e p p
L2
Q
U：施加电压
IS
UgS
(1 R) E h
eU
e e p p
L2
迁移率应该大 平均寿命长 量子效率大 反射低 长度应短
本征半导体有： n p
n p n p t t t t
4)本征光电导器件的性能分析
(1) 光生载流子的连续性方程
p p Q D2p Ep
t
本征半导体有： 0
p p Q D2p
t
本征光电导光生载流子变化的基本方程
4) 光电导探测器的响应度
（2）本征光电导探测器的响应度
V
IRd
I
0l
wd
ep 1 bQE0l
探测器的响应度为
R
V Ps
V E0wl
e p (1 b)QE0
E0w
又： Q E0 (1 ) hd
ρ：反射率
故：
R
1
ep 1
hdw
b 0 E
对于本征光电导，其暗电阻率为
0
1
0
1
e p 1 bp0
故：
1 E
R hwdp0
p0:无信号照射时空穴的浓度
0
光照时的非平衡载流子注入产生的附加电导率 称为光电导率
暗电流（越小越好）
1、光电导产生的原因（续）
光激发 载流子浓度增加
电导率增加 光电导效应只发生在半导体材料中，金属没有光电导效应。
2. 光电导效应的分类
按基本激发过程分类 本征光电导探测器
Ec Eg
Ev
光子能量大于半导体的禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其电导率
比灵敏度和光电导增益之间的关系
G
U L2
Sp
高灵敏度材料制成的器件光电导增益也高
如何提高光电导增益G？
G
U L2
选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料； 减少电极间距离； 适当加大偏压
参数选择合适时，M值可达102量级
3) 相对光电导—— 稳态光电导与暗电导之比
Kp
gS
gd
S d
需规定测量时所用的光强度
qE1 kT
(
Nt
nt )
q1
（4.45） （4.46）
n
q1
1(Nt nt )
p q1
2nt
激发光强度低时：线性
4) 本征光电导探测器的响应度
(1) 光生载流子的连续性方程
pn tt
pn
QQ
1e1eJJpe
je neeE eDen
p p Q D2p Ep
t
jp peeE eDpp
1
n0
p0
g
0
b
2
（2）激发光不太强时
n p n0
弱激发稳态非平衡载流子浓度 小信号非平衡载流子寿命
n p q1 2bn0
1
2bn0
（3）激发光很强时
n n0
即自发产生率可以略去不计
稳态方程式 bn2 q1 0
稳态载流子浓度
1
n n q1 2 b
可以认为本征光电导体 q1 与光强度成正比
E0
1
c
os2f
t
输出交变电压信号
V j wd Rd
Q0
2
ep 1 b0lE
1
cos2ft
1 4 2 f 2 2
6）杂质光电导探测器的响应度
入射红外辐射的光子能量比器件材料禁带宽度小时只能激发杂质 能级中的电子或空穴，使其电导率发生变化
利用杂质光电导制成的器件必须处于低温工作状态，以保证杂质能 级上的电子或空穴基本上未电离，即处于束缚状态，从而有较高的 暗电阻。 杂质光电导材料的吸收系数仅在10-1~1 cm-1 在杂质光电导区，红外辐射要透入探测器很“深”的距离。当探 测器厚度不太厚时，一部分红外辐射要透过红外探测器
用高阻材料制成光敏电 阻器或在低温下使用
第四节：光电导与光强度的关系
1）杂质光电导情况
A）暗态
dn dt
a(Nd
n)
bn2
q1
稳态：dn 0 dt
暗态：
q1
0
n0
a 2b
a2 4b2
aNd b
1
2
a(Nd n0 ) bn02 0
1）杂质光电导情况
B）光照情况下（光照较弱时）
n n0
④高的线性吸收系数和量子效率。
2）常用的光电导材料
第七节 典型的光电导器件
考虑到焦耳热，外加电场应有一个最佳值
在满足αd﹥﹥1的条件下，减少探测器厚度也对提高响应度有利 减少反射，镀增透膜也对提高响应度有利
(b) 考虑载流子浓度梯度及表面复合 体内的稳态方程
D2p p 0
边界条件：
d 2p dz2
p L2
0
L：载流子扩散长度
L2 D
d p
z 0 D dz Qs Svp
P0由两部分构成：热激发和背景辐射产生的光生载流子
p0 pt pb
0 t b
下标t：热激发 下标b：背景辐射
从而：
1 E R pt pb hwd
讨论
R
1 E pt pb hwd
响应度与光生载流子寿命τ成正比 响应度与无信号时的载流子浓度成反比 响应度与光电转换量子效率成正比
响应度与外加电场成正比
1）上升情况
p Q p
t
t 0 时 p 0
p
Q
1
t
e
p0 1
t
e
p0 Q
τ愈大，曲线上升愈慢
2）下降情况
p p t
t 0 时 p p0
τ愈大，曲线下降愈慢
光电导灵敏度
响应速度
t
p p0e
光电导探测器的弛豫现象 (或滞后现象)
5） 本征光电导的频率响应
输入交变光信号
E
1 2
2) 光电导增益 G
一秒钟内每一个吸收的光子在两个电极之间所通过的载流子数目
G IS e Q
载流IS 子 U迁g移S 率eU和寿eL命e 2越p长p ，Q 光电导增益就越大
样渡品G越长时间度缩UL短2L 也(可LUe2以e使光电p导p增) 益增大
吸收一个光子产生的载G流子可以在L 电极之间多次通过，对光电导作出贡献
①当探测器的工作温度尚未达到足够低时
热产生电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0b
R
1 E hwn0t n1 N A n0t e
结论：可降低工作温度使n0t和n1减小，以提高响应度
当温度下降到使 n0t n0b 及 n1 N A 成立时
R
1 E hwn0b N A n0b e
稳态情况下
p 0 t
本征光电导稳 态方程
D2p p Q 0
分两种情况讨论
不考虑载流子浓度梯度及表面复合 考虑载流子浓度梯度及表面复合
(a) 不考虑载流子浓度梯度及表面复合
不考虑载流子的浓度梯度
探测器内各处载流子浓度是均匀的，即体激发率也是均匀的
D2 (p) 0
D2
p
p
Q
D2 0
p
p
Q
0
其解为
在光强度低时得到线性响应
n
q1 a 2bn0
q1
1
在光强度高时得到较低的亚线性响应 n n q1 2
b
第四节：光电导与光强度的关系（续）
2）本征光电导情况
A）只存在非平衡载流子直接复合的本征光电导体
B）通载过流复子合浓中度心方进程行间接复合dn dt
g0
bn2
q1
C）少数载流子被陷获 （1）暗态、稳态载流子浓度
杂质光电导探测器的响应度
以n型半导体为例
ND N A
Hale Waihona Puke RV E0 wlee 1 hwn1
0
NA
1 ed E
n0 ed
ee1 0 1 ed E hwd
影响响应率的因素讨论
通常 d 1 将 ed 展开，并略去高次项
R
hwn0t
1 E n0b n1 N A
n0t
n0b e
- an - 2bn0n q1 0
n ：光生非平衡载流子浓度
n
q1 a 2bn0
q1
激发光强度不大时，光电响应应为线性的
C）光照情况下（光照较强时）
稳态载流子n浓度方n0程 -nbnn2qn10 0
稳态载流子浓度
1
n n q1 2
b
光照较强时，光电响应表现为亚线性
总结：
杂质光电导的光电响应线性度
IS
第三节 光电导灵敏度
比灵敏度 光电导增益 相对光电导 响应度
1) 比灵敏度 S p 稳态光电导和电极之间距离平方的乘积除以入射的光功率
Sp
gS L2 E
IS L2 U
E
gS
e
NSe L2
PS p
eQ
e e L2
p
p
e (1 R) 载流子寿命越高，比灵敏度就越高 S p h 量子效率越高，比灵敏度就越高
在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶
红外区灵敏的几种光敏电阻
第六节 光电导材料
1）对材料的要求：
①应满足长波响应的要求 ②热激发(暗发射)所形成的产生-复合噪声低，即暗电流应尽可能小
hc th
E ③热噪声电流应远小于背景辐射光子噪声电流。
p Q
光生载流子浓度与体平均激发率成正比，与载流子寿命成正比
光电导探测器光生载流子的电流密度为
j een e pp E
对于本征光电导有：
j e e ep QE
光电导探测器的几何模型
j
e
p
1
bQE
ee
1
1 b
QE
其中：
b e p
故光生电流为
I wdj ep1 bQEwd
若无信号时的电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压为
4、本征光电导光的吸收深度可以浅得多，光电导的出现仅限于接近表面的薄层 杂质光电导吸收深度大，必须把光电导样品做得比较厚 5、本征光电导同时产生等量的自由电子和自由空穴，两者都对光电导作出贡献； 杂质光电导来说，只激发一种自由载流子(电子或空穴) 6、杂质光电导和本征光电导对光强的依从关系不同
第二节 光电导理论分析
设样品均匀地受到总功率：E
样品中每秒钟内产生的总电子-空穴对数目
样品受照表面的反射系数：R 量子效率：η<1
Q E (1 R) h
样品的厚度足够大，透过入射面的光 全被吸收，吸收的光子数：
E (1 R) h
暗电导
gd
d
A L
e
N0 AL
e
P0 AL
p
A L
e
N0e L2
P0 p
N0 n0 AL P0 p0 AL