光电技术PPT课件

杂质吸收的长波限为：
hc
1 .24
ma x E d(或 E a) E d(或 E a)(m )
式中，ΔEd为施主电离能；ΔEa为受主 电离能。
其它吸收还有自由载流子吸收、激子吸 收、晶格吸收等。这些吸收很大程度上 是将能量转换成热能，增加热激发载流 子浓度。
（2）光致非平衡载流子
半导体受光照，产生光生载流子。这时 ，自由载流子浓度就比热平衡时的浓度 要大，即打破了原来的平衡。若停止光 照，光生载流子就不再产生，载流子浓 度因电子与空穴复合而逐渐减小，又恢 复到热平衡。
第二章 光辐射的探测
把光辐射量转换成另一种便于测量的 物理量如电量(因方便、准确)， 这样的 器件叫光辐射探测器，又叫光电探测器 。
光辐射探测器的物理效应主要是： 光热效应和光子效应。
光子效应：
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 影响内部电子状态的改变。
半导体中，能参与导电的自由电子和自 由空穴统称为载流子。单位体积内的载 流子数称为载流子浓度。
在本征半导体中，自由电子浓度 ni 等 于自由空穴浓度pi。本征半导体的导电 性能与载流子浓度 ni 密切相关， ni 大 ，导电性就高。 ni 随温度的升高而增 加，随禁带宽度的增加而减小。载流子 增多，导电性增强。
内光电效应如光电导效应、光伏效应； 外光电效应例如光电发射效应。
现代许多光电器件都是由半导体材料 制作的，掌握一些半导体的基本知识 ，对于正确理解光电器件的原理、特 征及其正确选用是十分重要的。
在第一章中，已经介绍了半导体材料 及其能带理论，下面首先介绍半导体 中载流子的相关知识。
一、 半导体中的载流子
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应就
更强烈，故广泛用于对红外线辐射的探测。
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§2. 1 光子效应 光电效应是物质吸收光子（hν）的能量 ，直接引起原子或分子的内部电子状态 的改变。
由于物质的结构和性能不同，以及光 和物质的作用条件不同，光电效应分 为内光电效应和外光电效应。
热平衡条件下，根据费米公式可得出导
带中的电子浓度和价带中的空穴浓度公
式如下：
nNe[(EcEf )/kT] c
pNe[(Ef Ev)/k T] v
式中，Nc是导带有效能态密度，Nv是价带有 效能态密度。
上两式说明自由电子浓度和自由空穴浓 度都是温度的函数。在温度一定时与费 米能级位置呈指数关系。
如果把上两式相乘，可得： n p N c N v e (E c E v )/k TN c N v e E g/kT
若无光照时载流子的浓度为p和n，加光 照后载流子浓度的增量为Δp 和Δn，Δp = Δn 。
通常热平衡下多子浓度约为1015cm-3， 少子浓度约为104cm-3。光照时， Δp、 Δn约为1010cm-3。
可见，光照时多子浓度几乎不变，少
子浓度却大大增强，故一切半导体光电 器件对光的响应是少子的行为。
hmi nh/cma xEg
式中波长为长波限。由下列公式计算：
hc 1.24 (m)
Eg Eg(eV)
②杂质吸收
掺有杂质的半导体在光照下，中性施主 的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带 ，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸 收光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂 质吸收。
显然，引起杂质吸收的光子的最小能量 应等于杂质的电离能。和本征吸收一样 ，杂质吸收也存在着波长阈值。不过一 般杂质电离能都比禁带宽度小得多。
（1）半导体对光的吸收 ①本征吸收
本征半导体吸收光子能量使价带中的电 子激发到导带，这一过程称为本征吸收 。此时载流子浓度比热平衡下浓度要大 ，增加的载流子称为光生载流子。
产生本征吸收的条件是，入射光子的能 量至少要等于材料的禁带宽度：
h Eg 或
c
h Eg
h普朗克常数；c光速；λ光波长。
最小光子能量为：
在N型半导体中，电子浓度nn远大于 空穴浓度pn 。即电子是多数载流子（ 简称多子），空穴是少数载流子（简 称少子）。室温下可以认为：
nn ND（施主浓度）。
在P型半导体中，电子浓度np远小于空 穴浓度pp，即空穴为多子，电子为少 子。全电离时，pp NA （受主浓度） 。
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1、热平衡状态下的载流子浓度
在本征半导体中，自由电子浓度等于自
由空穴浓度，故： np ni2 此为平衡
态判据。
掺杂半导体中，多子浓度约为所掺杂质 原子的浓度NA或ND，故少子浓度为：
np ni2 / NA 或 pn ni2/ND
2、非平衡状态下的载流子 在热平衡态下载流子浓度是恒定的，但 若外界条件发生变化，如光照、外电场 作用等，载流子浓度就随之发生变化。
载流子在弱电场中的漂移运动服从欧姆 定律，在强电场中的漂移运动因有饱和 或雪崩等现象则不服从欧姆定律。这里 只讨论服从欧姆定律的漂移运动。
由于扩散作用，流过单位面积的电流称 为扩散电流密度，它们正比于光生载流 子在某一方向上的浓度梯度。即:
J
qDdn
或
nD
n dx
dp JpD qDp dx
这里，Dn、Dp分别是电子的扩散系数 和空穴的扩散系数；q是载流子电量。
（2）漂移
载流子在电场作用下所发生的运动称为 漂移。在电场中电子与电场反向漂移， 空穴则与电场同向漂移。
特点——光子效应对光波频率表现出选 择性，响应速度一般比较快。
光热效应：
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 测元件温度上升,温升的结果又使探测 元件的电学性质或其他物理性质发生变 特化。点——原则上对光波频率没有选择性， 响应速度一般比较慢。
只要有自由电子和空穴，载流子复合
过程就存在。光生载流子停留在自由状 态的时间即平均生存时间称为光生载流 子的寿命。它是一重要参量，表征复合 强弱和决定光电器件的时间特性。
3、载流子的扩散与漂移
（1）扩散
载流子因浓度不均匀而发生的定向运动 称为扩散。
当材料的局部受到光照时，材料吸收光 子产生光生载流子，在这局部位置的载 流子浓度就比平均浓度要高。这时电子 将从浓度高的点向浓度低的点运动，使 自己在晶体中重新达到均匀分布。