改3光輻射探測器的理論基礎

1、3.1 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移 半導體特性半導體特性l電阻溫度系數是負的，對溫度變化敏感電阻溫度系數是負的，對溫度變化敏感l(wèi)溫度升高，電阻下降溫度升高，電阻下降l優(yōu)點：測溫優(yōu)點：測溫l缺點：精度受環(huán)境影響，實現高精度需恒溫缺點：精度受環(huán)境影響，實現高精度需恒溫l導電性能受微量雜質的影響而發(fā)生十分敏感的變化導電性能受微量雜質的影響而發(fā)生十分敏感的變化l室溫下純硅室溫下純硅 電導率電導率5*10-6/

2、cml室溫下純度為室溫下純度為99.9999%硅硅 電導率電導率2/cml導電能力和性質受光電磁等外界作用發(fā)生重要的變導電能力和性質受光電磁等外界作用發(fā)生重要的變化化第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移 2n-1KLM1232n2電子層電子層spdsps112123電子亞層電子亞層能帶結構能帶結構l孤立原子中的電子狀態(tài)孤立原子中的電子狀態(tài) l電子按照一定的殼層排列電子按照一定的殼層排列l(wèi)電子在殼層

3、上的分布遵守泡利不相容原理和能電子在殼層上的分布遵守泡利不相容原理和能量最低原則量最低原則 l電子具有確定的分立能量值電子具有確定的分立能量值 l晶體中的電子狀態(tài)晶體中的電子狀態(tài) l多原子的各殼層之間多原子的各殼層之間有不同程度的交疊。有不同程度的交疊。最外面的電子殼層交最外面的電子殼層交疊最多，內層交疊較疊最多，內層交疊較小小l電子的共有化運動電子的共有化運動l電子只能在相鄰原子相似殼層中運用電子只能在相鄰原子相似殼層中運用l外層電子的共有化運動顯著，內層弱外層電子的共有化運動顯著，內層弱l晶體中的能帶晶體中的能帶l電子在晶體中不僅受本身原子勢場影響，還受電子在晶體中不僅受本身原子勢場影響，

4、還受周圍周圍原子勢場原子勢場作用，該作用使本來處于同一能量狀態(tài)的、作用，該作用使本來處于同一能量狀態(tài)的、不同位置不同位置的電子發(fā)生了能量微小的差異的電子發(fā)生了能量微小的差異l晶體中若有晶體中若有N個原子，每個相同個原子，每個相同能級都分裂能級都分裂為為N個個新的能級，成為能帶。新的能級，成為能帶。l允帶允帶-電子可占據的電子可占據的能帶。能帶。l禁帶禁帶-電子占據不了電子占據不了的間隙叫禁帶。的間隙叫禁帶。l滿帶滿帶-被電子占滿的允被電子占滿的允帶稱滿帶帶稱滿帶l價帶價帶-晶體最外層電子晶體最外層電子能級分裂所成的能帶。能級分裂所成的能帶。l導帶導帶-比價帶能量更高比價帶能量更高的允帶稱導帶。

5、的允帶稱導帶。l晶體中電子的能量狀態(tài)，也遵守泡利不相容原理和晶體中電子的能量狀態(tài)，也遵守泡利不相容原理和能量最低原則能量最低原則l自由電子自由電子-從價帶從價帶躍遷到導帶的電子躍遷到導帶的電子l自由空穴自由空穴-電子從電子從價帶躍遷到導帶后，價帶躍遷到導帶后，價帶中出現電子的價帶中出現電子的空缺空缺l本征激發(fā)本征激發(fā)-電子直電子直接由價帶躍遷到導接由價帶躍遷到導帶，特點是產生的帶，特點是產生的電子數等于空穴數；電子數等于空穴數；l載流子載流子-自由電子自由電子和自由空穴。和自由空穴。絕緣體、半導體、金屬的能帶圖絕緣體、半導體、金屬的能帶圖 SiO SiO2 2 Eg=5.2ev Si Eg=1

6、.1ev Eg=0 Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0電阻率電阻率10101212cm 10cm 10-3-310101212cm 10cm 10-6-61010- -3 3cmcm半導體具有獨特光電特性重要應用價值半導體具有獨特光電特性重要應用價值導電機理導電機理-電場作用下，導帶電子，價帶空穴作定向運動電場作用下，導帶電子，價帶空穴作定向運動第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移

7、 i i，n n和和p p型半導體型半導體li型半導體型半導體：（本征或純凈半：（本征或純凈半導體）導體）l四族四族 C、Si、Ge、Sn、PblT=0K，材料不導電，材料不導電lT=常溫，半導體有導電性常溫，半導體有導電性（熱激發(fā)）（熱激發(fā)）l禁帶寬度大決定其導電能禁帶寬度大決定其導電能力弱力弱 Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ 科科7 7ln型半導體型半導體l如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入五族原子砷如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入五族原子砷或磷或磷 ，就形成了，就形成了n型半導體型半導體l施主原子施主原子-As，施主能級，施

8、主能級-Edl施主電離：施主能級上電子躍遷到導帶叫施主電離，施主電離：施主能級上電子躍遷到導帶叫施主電離，特點是只產生電子特點是只產生電子l施主電離能施主電離能-施主能級和導帶底間的能量差施主能級和導帶底間的能量差 lN型半導體中，自由電子濃度將高于自由空穴濃度。型半導體中，自由電子濃度將高于自由空穴濃度。自由電子是多子，空穴是少子自由電子是多子，空穴是少子 lp型半導體型半導體l如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入三族原子如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入三族原子硼硼 ，就形成了，就形成了p型半導體型半導體l受主原子受主原子-B，受主能級，受主能級-Eal受主電離：受主能級上空穴躍遷到價帶

9、叫受主電離，受主電離：受主能級上空穴躍遷到價帶叫受主電離，特點是只產生空穴特點是只產生空穴l受主電離能受主電離能-導帶底和受主能級間的能量差導帶底和受主能級間的能量差lP型半導體中，自由空穴濃度將高于自由電子濃度。型半導體中，自由空穴濃度將高于自由電子濃度。自由空穴是多子，電子是少子自由空穴是多子，電子是少子 第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移 熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l載流

10、子濃度載流子濃度：單位體積的載流子數。：單位體積的載流子數。l為什么要研究載流子濃度？為什么要研究載流子濃度？l半導體的電學性質與材料的載流子濃度有關半導體的電學性質與材料的載流子濃度有關l熱平衡載流子最終形成暗電流和噪聲熱平衡載流子最終形成暗電流和噪聲l熱激發(fā)：熱激發(fā)：一定溫度下，非外界作用，從不斷熱一定溫度下，非外界作用，從不斷熱振動的晶體中電子獲得一定的能量，從價帶躍振動的晶體中電子獲得一定的能量，從價帶躍遷到導帶，形成自由電子。遷到導帶，形成自由電子。l復合：復合：電子釋放能量由導帶回落到價帶。電子釋放能量由導帶回落到價帶。l熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)l一定溫度時，熱產生的載流子數恒定，熱激

11、發(fā)一定溫度時，熱產生的載流子數恒定，熱激發(fā)與復合動態(tài)平衡。溫度改變后，熱激發(fā)變化，與復合動態(tài)平衡。溫度改變后，熱激發(fā)變化，隨后復合跟上，最終新平衡建立隨后復合跟上，最終新平衡建立l熱平衡時載流子濃度決定于：熱平衡時載流子濃度決定于：l能級密度能級密度l能級被電子占據的概率能級被電子占據的概率l能級密度能級密度l定義：導帶和價帶內單位體積，單位能量能級定義：導帶和價帶內單位體積，單位能量能級數目。數目。l導帶能級密度導帶能級密度l價帶能級密度價帶能級密度l當離導帶低或價帶頂越遠當離導帶低或價帶頂越遠時，能級密度越大時，能級密度越大* 3 21 234( )(2)()ecN EmEEh*3 21

12、234( )(2)()pvN EmEEhl費米能級和電子占據率費米能級和電子占據率l電子占據率：電子占據率：Ef為費米能級為費米能級lT=0，若，若E0，若若E=Ef，fn(E)=0.5 若若EEf，fn(E)0.5 若若E0.5l空穴占據率：空穴占據率：fp(E)=1- fn(E)1( )1 exp()nffEEEkTl平衡載流子濃度平衡載流子濃度自由電子濃度自由電子濃度 為導帶有效能級密度。為導帶有效能級密度。l自由電子濃度自由電子濃度n與與溫度溫度及及費米能級位置費米能級位置有關。有關。( )( )( )expCCEnEcfcnn E dEN EfE dEEENkT*3 2222()ec

13、m kTNh自由空穴濃度自由空穴濃度 為價帶有效能級密度。為價帶有效能級密度。l自由空穴濃度自由空穴濃度p與與溫度及費米能級位置溫度及費米能級位置有關有關( )( )( )expEvEvpfvvpp E dEN EfE dEEENkT*3 2222()pvm kTNh推論推論l熱平衡下，任何半導體中，熱平衡下，任何半導體中， n與與p的乘積與費的乘積與費米能級無關；米能級無關；l熱平衡下，任何半導體中，熱平衡下，任何半導體中，n與與p的乘積與的乘積與Eg成反比；成反比；l熱平衡下，任何半導體中，熱平衡下，任何半導體中，n與與p的乘積與溫的乘積與溫度成正比度成正比 expexpgcvcvcvEE

14、EnpN NN NkTkTexpexpcfcfvvEENkTEENkT*113()lnln224pvficviicemNEEEkTEkTENm1 2()exp2giicvEnpN NkT本征半導體中載流子濃度本征半導體中載流子濃度EcEvEfi(Ei)室溫下硅、鍺、砷化鎵的本征載流子濃度室溫下硅、鍺、砷化鎵的本征載流子濃度 GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.35Me*0.56m1.08m0.068mMp*0.37m0.59m0.50mNi(1/cm3)2.1*10131.3*10101.1*107m=9.11*10-31kg室溫下金屬載流子濃度室溫下金屬載流子濃度1022/cm3

15、 ln型半導體載流子濃度型半導體載流子濃度22;()lnidididdfniinnNpNpn pnNNEEkTnEcEvEiEfnEdlp型半導體載流子濃度型半導體載流子濃度22;()lniaaidafniinpNnNnn pnNNEEkTnEcEvEiEfpEa 用費米能級描述載流子分布用費米能級描述載流子分布 “標尺標尺”練習：畫出輕摻雜練習：畫出輕摻雜N N型和重摻雜型和重摻雜N N型費米能級示意圖型費米能級示意圖第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半

16、導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移 半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l定義：定義：外部注入的或光激發(fā)的、超出熱平衡時外部注入的或光激發(fā)的、超出熱平衡時濃度的載流子濃度的載流子l這部分載流子攜帶有外部信息這部分載流子攜帶有外部信息l材料的光吸收效應材料的光吸收效應 l本征吸收本征吸收l雜質吸收雜質吸收l其它吸收其它吸收l本征吸收本征吸收l定義：使價帶電子激發(fā)到導帶的光吸收定義：使價帶電子激發(fā)到導帶的光吸收l條件：條件： 為本征吸收長波限。為本征吸收長波限。ghvE1.24()gghcmEEEg01.24()gmEl雜質吸收雜質吸收l定義：使電子（空穴）從雜

17、質能級激發(fā)到導帶定義：使電子（空穴）從雜質能級激發(fā)到導帶（價帶）的光吸收。（價帶）的光吸收。l長波限：長波限： l雜質吸收多在紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。雜質吸收多在紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。001.241.24(),()ddaahchcmmEEEEEdEal其它吸收其它吸收l激子吸收激子吸收l定義：吸收了小于禁帶寬度能量的電子，離開了定義：吸收了小于禁帶寬度能量的電子，離開了價帶卻上不了導帶，與形成的空穴間保有庫侖力價帶卻上不了導帶，與形成的空穴間保有庫侖力作用，從而形成的一個電中性系統。作用，從而形成的一個電中性系統。l自由載流子吸收自由載流子吸收l定義：使自由載流子在同一能帶內不同能級間躍定義：使自由載流

18、子在同一能帶內不同能級間躍遷的光吸收。遷的光吸收。l晶格吸收晶格吸收l定義：被轉變?yōu)榫Ц裾駝幽芰康奈?。定義：被轉變?yōu)榫Ц裾駝幽芰康奈?。l非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度l在這一節(jié)我們并在這一節(jié)我們并不關不關心光子產生非平衡載心光子產生非平衡載流子的效率流子的效率，這個概，這個概念我們以后再講念我們以后再講l這一節(jié)我們這一節(jié)我們關心非平關心非平衡載流子產生及復合衡載流子產生及復合的過程的過程，因為這個過，因為這個過程存在時間上的沿滯，程存在時間上的沿滯，研究這個過程是理解研究這個過程是理解探測器的探測器的頻率特性頻率特性的的基礎基礎l突然光照突然光照，由于產生，由于產生復復合，光生載流子濃度

19、合，光生載流子濃度n(t)(p(t)處于上升期處于上升期l產生產生=復合，光生載流子復合，光生載流子濃度達到飽和濃度達到飽和l光照突然消失光照突然消失，由于產，由于產生生復合復合,光生載流子濃光生載流子濃度度n(t)(p(t)處于下降處于下降期期l通常，光生載流子的產通常，光生載流子的產生和復合具有相同的時生和復合具有相同的時間特性間特性l電路時間常數電路時間常數表征電路瞬態(tài)過程中響應變化的表征電路瞬態(tài)過程中響應變化的快慢，如快慢，如RC電路的時間常數為電路的時間常數為R*C，它表征，它表征電容充放電的快慢：電容充放電的快慢：l電路閉合后，電容的端電壓達到最大值的電路閉合后，電容的端電壓達到最

20、大值的1-1/e，即約即約0.63倍所需要的時間倍所需要的時間l電路斷開時，電容的端電壓達到最大值的電路斷開時，電容的端電壓達到最大值的1/e，即約即約0.37倍時所需要的時間。倍時所需要的時間?？瓶? 8l在這里，沿用時間常數在這里，沿用時間常數這一概念描述光電探測器這一概念描述光電探測器對光照響應的快慢（光生載流子產生和復合的快對光照響應的快慢（光生載流子產生和復合的快慢）慢）l光生載流子的產生和復合具有相同的時間特性，這里光生載流子的產生和復合具有相同的時間特性，這里只研究載流子的復合過程只研究載流子的復合過程l由復合率與載流子濃度成正比推得下降期光生載流子由復合率與載流子濃度成正比推得

21、下降期光生載流子濃度的變化規(guī)律為濃度的變化規(guī)律為01/( )(0)(0)ttBnn tnene l的意義：的意義：l載流子濃度下降的衰減常數載流子濃度下降的衰減常數l載流子濃度下降到初始值載流子濃度下降到初始值1/e所需的時間所需的時間l載流子的平均壽命（也稱載流子壽命）載流子的平均壽命（也稱載流子壽命）l復合率復合率l同理可得上升期光生載流子濃度的變化規(guī)律為同理可得上升期光生載流子濃度的變化規(guī)律為( )n t01/( )(0)(0)ttBnn tnene ( )(0)(1)tn tne 第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎半導體基礎l半導體特性半導體特性l能帶結構能帶結構li，n和和p型半導體型半導體l

22、熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導體中的非平衡載流子半導體中的非平衡載流子 l載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移 載流子的擴散與漂移載流子的擴散與漂移l攜帶有信息的非平衡載流子通過形成定向移動攜帶有信息的非平衡載流子通過形成定向移動的電流被檢測到，所以需要研究非平衡載流子的電流被檢測到，所以需要研究非平衡載流子運動的形式運動的形式l擴散擴散l漂移漂移擴散擴散l定義：由于載流子濃度的不均勻產生的載流子定義：由于載流子濃度的不均勻產生的載流子從高濃度處往低濃度處的遷移運動。從高濃度處往低濃度處的遷移運動。l產生條件：摻雜不均勻或局部因光照產生非平產生條件：摻雜不均勻或局部因光照產

23、生非平衡載流子。衡載流子。l擴散電流密度（單位面積單位時間內通過的載擴散電流密度（單位面積單位時間內通過的載流子電量）與濃度梯度成正比流子電量）與濃度梯度成正比 Dp和和Dn分別為電子和空穴的擴散系數。分別為電子和空穴的擴散系數。,nDnpDpdndpJqDJqDdxdx 漂移漂移l定義：載流子在電場作用下的定向運動定義：載流子在電場作用下的定向運動l在電場作用下，電子向正極漂移，空穴向負極漂移。在電場作用下，電子向正極漂移，空穴向負極漂移。l電場過強，漂移運動偏離歐姆定律（飽和或雪崩擊電場過強，漂移運動偏離歐姆定律（飽和或雪崩擊穿），弱電場下，漂移運動符合歐姆定律。穿），弱電場下，漂移運動符

24、合歐姆定律。l由歐姆定律的微分形式由歐姆定律的微分形式 （1）lJ為電流密度，為電流密度，為材料電導率，為材料電導率，E為電場強度為電場強度l由電流密度的定義由電流密度的定義J=nqv（2）l由（由（1）（）（2）得）得 稱為遷移率稱為遷移率JEEEnqv)/(nq3.2 3.2 半導體的光電效應半導體的光電效應光電導效應光電導效應光伏效應光伏效應光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應光電轉換的兩個概光電轉換的兩個概念念光電導探測器光電導探測器光伏探測器光伏探測器光電子發(fā)射探測光電子發(fā)射探測器器 利用光電效應制成的光電探測器稱為利用光電效應制成的光電探測器稱為光子探測器光子探測器光電導效應光電導效應當半

25、導體材料受光照時，由于對光子的吸收當半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導致材料電導引起載流子濃度的變化，因而導致材料電導率變化，這種現象稱為率變化，這種現象稱為光電導效應光電導效應。 非本征光電導效應非本征光電導效應 本征光電導效應本征光電導效應( (雜質光電導效應雜質光電導效應) ) 雜質吸收雜質吸收 本征吸收本征吸收 本征光電導本征光電導 d0n0p()q np0n0pq nnppdnpqnp 暗電導率：暗電導率： 亮電導率：亮電導率： 光電導率：光電導率： 非本征光電導非本征光電導 光電導率：光電導率： ndnpdpqNqPnp型型第二節(jié)第二節(jié) 半導體的光電效

26、應半導體的光電效應光電導效應光電導效應光伏效應光伏效應光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應光電轉換的兩個概光電轉換的兩個概念念光伏效應光伏效應 N N P PPNPN結結光光 一塊半導體，一塊半導體， P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界面稱為區(qū)的交界面稱為PNPN結。結。PNPN結結受到光照時，可在受到光照時，可在PNPN結的兩端產生電勢差，這種現結的兩端產生電勢差，這種現象則稱為光伏效應。象則稱為光伏效應。 1)PN1)PN結的形成結的形成 擴擴 散散 形成：耗盡區(qū)形成：耗盡區(qū) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 內建電場內建電場濃度差異濃度差異E E 漂漂 移移擴散與漂移方向相反擴散與漂移方向相反擴散擴散=漂移漂移

27、平衡平衡 PNPN結形成結形成擴散擴散-增強內建電場增強內建電場-阻止擴散阻止擴散漂移漂移-減弱內建電場減弱內建電場-阻止漂移阻止漂移PNPN結的形成結的形成 摘自教育部新世紀摘自教育部新世紀網絡課程網絡課程電子技電子技術術大連海事大大連海事大學制作學制作2)PN2)PN結能帶與勢壘結能帶與勢壘 結合前結合前結合后結合后一個平衡系統只能有一個費米能級一個平衡系統只能有一個費米能級 E E電場力電場力類比類比: : 小球滾上山坡小球滾上山坡速度方向速度方向重力分力重力分力mghmgh坡：內建電場坡：內建電場擴散：電子爬坡擴散：電子爬坡漂移：電子下坡漂移：電子下坡正向偏壓正向偏壓: :外加電場外加

28、電場耗盡區(qū)寬耗盡區(qū)寬度變小度變小3)PN3)PN結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容結電流方程、耗盡區(qū)寬度與結電容T/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：擴散流擴散流反向偏壓反向偏壓: :外加電場外加電場耗盡區(qū)寬耗盡區(qū)寬度變大度變大漂移流漂移流4)PN4)PN結光電效應結光電效應 電子電子空穴對分離空穴對分離電子電子空穴對空穴對光光 照照光生電勢差光生電勢差 光生電動勢與光電流光生電動勢與光電流 光電流方向光電流方向光生電動勢方向光生電動勢方向擴散流方向擴散流方向光生電動勢光生電動勢擴散流擴散流光電流為維持光生電動勢一直持續(xù)光電流為維持光生電動勢一直持續(xù) 光生電動勢方向光

29、生電動勢方向e/0p1UkTIIeI（）光照下光照下PNPN結的電流方程：結的電流方程： 光電流方向光電流方向擴散流方向擴散流方向擴散流擴散流光電流光電流科科9 9 N PPN結結光光電池不能短接，電池不能短接，光照下的光照下的PNPN節(jié)能短接嗎？節(jié)能短接嗎？ 光生電動勢光生電動勢=0=0e/0p1UkTIIeI（）擴散流擴散流=0=0短路光電流短路光電流短接短接 開路光電壓方向開路光電壓方向e/0p1UkTIIeI開（）擴散流擴散流光電流光電流開路開路 光電壓方向光電壓方向e/0p1UkTIIeI（）擴散流擴散流光電流光電流接負載接負載R R第二節(jié)第二節(jié) 半導體的光電效應半導體的光電效應光電

30、導效應光電導效應光伏效應光伏效應光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應光電轉換的兩個概光電轉換的兩個概念念3.3.光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應金屬或半導體受到光照時，電子從材料表面金屬或半導體受到光照時，電子從材料表面逸出這一現象稱為光電發(fā)射效應。逸出這一現象稱為光電發(fā)射效應。 又稱外光電效應。逸出物質表面的電子又稱外光電效應。逸出物質表面的電子叫做光電子。叫做光電子。 光電發(fā)射第二定律（愛因斯坦定律）：光電發(fā)射第二定律（愛因斯坦定律）：發(fā)射的光電子的最大動能隨入射光子頻率的發(fā)射的光電子的最大動能隨入射光子頻率的增加而線性地增加，而與入射光的強度無關增加而線性地增加，而與入射光的強度無關 光電發(fā)射第一定律：

31、光電發(fā)射第一定律：當入射輻射的光譜公布不變時，飽和光電流當入射輻射的光譜公布不變時，飽和光電流與入射的輻通量與入射的輻通量 成正比成正比 1)1)光電發(fā)射定律光電發(fā)射定律 愛因斯坦定律愛因斯坦定律 Whvme2max21Whch0Whc0m24. 10WW W- -逸出功逸出功 截止波長截止波長（長波限）（長波限） m24.10W光電發(fā)射光電發(fā)射本征吸收本征吸收m24.1gg0EEhc雜質吸收雜質吸收m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或結論：結論：截止波長對比截止波長對比波長增大波長增大光電發(fā)射光電發(fā)射雜質吸收雜質吸收本征吸收本征吸收2)2)金屬逸出功和半導體的發(fā)射閾值金

32、屬逸出功和半導體的發(fā)射閾值 金屬逸出功金屬逸出功: : f0EEW半導體發(fā)射閾值半導體發(fā)射閾值: :AgWEE能夠有效吸收光子的電能夠有效吸收光子的電子大多處在價帶頂附近子大多處在價帶頂附近 基本概念：基本概念：真空能級真空能級E E0 0 電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電子親和勢電子親和勢E EA A 真空能級與導帶底能級之差稱為電子親和勢真空能級與導帶底能級之差稱為電子親和勢 第二節(jié)第二節(jié) 半導體的光電效應半導體的光電效應光電導效應光電導效應光伏效應光伏效應光電子發(fā)射效應光電子發(fā)射效應光電轉換的光電轉換的兩個概兩個概念念4.4.

33、光電轉換的光電轉換的兩個概念兩個概念 的光子數每秒入射波長為數每秒產生的平均光電子探測器類型探測器類型（）（）光電導探測器（本征）光電導探測器（本征）60光電導探測器（非本征）光電導探測器（非本征）30光伏探測器光伏探測器60光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器10量子效率量子效率(1)(1)xlre提高量子效率：提高量子效率：反射率反射率r r低，低， 吸收系數吸收系數大，大，吸收厚長度吸收厚長度l lx x要大要大例如，在探測器入射面鍍上高透射率的抗反射層；例如，在探測器入射面鍍上高透射率的抗反射層；利用微型諧振腔的光場諧振以增強吸收等。利用微型諧振腔的光場諧振以增強吸收等。100原因：反射、

34、透射、散射等原因：反射、透射、散射等 光電增益光電增益 PPMIIqNqhv外部光電流單位時間外電路產生的電荷數內部光電流單位時間探測器產生的的電荷數光電導探測器：光電導探測器：M M可以大于可以大于1 1光電三極管：光電三極管： M M10102 2雪崩光電二極管：雪崩光電二極管：M M10103 3光電倍增管：光電倍增管：M M1063.3 3.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲噪聲的表示方法噪聲的表示方法噪聲分類噪聲分類探測器噪聲探測器噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路(b)(b)(c)(c)探探測測器器放放大大器器示波器示波器(a)(a)光光入射光功率較大時：入射光功率較大時：正弦信號正弦

35、信號降低入射光功率，增大放大率：降低入射光功率，增大放大率：帶毛刺的正弦信號帶毛刺的正弦信號入射光功率再降低時：入射光功率再降低時：正弦波幅度被噪聲完全埋沒正弦波幅度被噪聲完全埋沒對入射光功對入射光功率正弦調制率正弦調制隨機的，瞬間的幅度不能預知的起伏，其長時間的隨機的，瞬間的幅度不能預知的起伏，其長時間的平均值為零。平均值為零。所以不能用其平均值表示噪聲所以不能用其平均值表示噪聲噪聲的基本概念噪聲的基本概念噪聲的表示方法噪聲的表示方法均方噪聲均方噪聲 均方根噪聲均方根噪聲 時域時域 頻域頻域 功率譜功率譜 均方噪聲均方噪聲 多個噪聲源多個噪聲源（互不相關）（互不相關） 222212nknnn

36、iiii 總220221 ( ) ( )( )Tnnii tidtTi tiit 平平均均平平均均代表代表電阻上產生的功率電阻上產生的功率201 ( )TPi tiRdtT 平平均均只有均方噪聲具有疊加特性只有均方噪聲具有疊加特性均方根噪聲均方根噪聲 1222( )nniit 這正是我們用電流表所這正是我們用電流表所測量到的那種有效電流測量到的那種有效電流22n022n02n01( )1( )1( )TTTPRiRi tdtTii tdtTii tdtT 有有效效有有效效有有效效功率譜功率譜S(f)S(f)噪聲自相關函噪聲自相關函數的傅立葉變換數的傅立葉變換 22( )nniit 代表頻率為代

37、表頻率為f f的噪聲在的噪聲在電阻上產生的功率電阻上產生的功率均方噪聲均方噪聲 代表各種頻率噪聲的集合代表各種頻率噪聲的集合在在電阻上產生的功率電阻上產生的功率2( )niS f df2niSf均方噪聲與功率譜聯系均方噪聲與功率譜聯系 功率譜為常數：功率譜為常數： 功率譜不為常數：功率譜不為常數： ff為頻帶寬度為頻帶寬度 用等效帶寬用等效帶寬ff表述表述 2( )niS ff 01mfS f dfS 噪聲分類：噪聲分類： 噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理探測器的噪聲探測器的噪聲1熱噪聲熱噪聲2. 散粒噪聲散粒噪聲3產生復合噪聲產生復合噪聲 41

38、/f 噪聲噪聲 5溫度噪聲溫度噪聲 1 1熱噪聲熱噪聲(Johnson(Johnson噪聲噪聲) )熱噪聲是由于載流子的瞬時熱運動而引起電流或熱噪聲是由于載流子的瞬時熱運動而引起電流或電壓的瞬時擾動。電壓的瞬時擾動。 22nrnr44kTiSff ,ukTRfRff為測量的頻帶等效寬度，為測量的頻帶等效寬度，R R為器件輸入電阻實部為器件輸入電阻實部 熱噪聲：熱噪聲： 白噪聲白噪聲2. 2. 散粒噪聲（散粒噪聲（ShotShot噪聲）噪聲）它猶如射出的散粒無規(guī)則地落在靶上所呈現的起它猶如射出的散粒無規(guī)則地落在靶上所呈現的起伏。這種隨機起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。伏。這種隨機起伏所形成的噪聲稱

39、為散粒噪聲。光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機性；光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機性；PNPN結中載流子通過結區(qū)的隨機性；結中載流子通過結區(qū)的隨機性；入射到探測器上的光子的隨機性入射到探測器上的光子的隨機性2ns2eiSfIfI I為器件輸出平均電流為器件輸出平均電流 散粒噪聲：白噪聲散粒噪聲：白噪聲 3 3產生復合噪聲產生復合噪聲在半導體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間在半導體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間載流子的產生數和復合數是有起伏的，于是載載流子的產生數和復合數是有起伏的，于是載流子濃度的起伏引起電導率的起伏，由此造成流子濃度的起伏引起電導率的起伏，由此造成器件輸出電流的噪聲叫

40、做復合噪聲器件輸出電流的噪聲叫做復合噪聲 產生復合噪聲不再是產生復合噪聲不再是“白白”噪聲？噪聲？ 222041 (2) nIiS fffNf I I總平均電流，總平均電流，N N0 0總的自由載流子數，總的自由載流子數，載流子壽命，載流子壽命，f f測量噪聲的頻率測量噪聲的頻率 4 41/1/f f 噪聲噪聲1/1/f f 噪聲通常又稱為電流噪聲噪聲通常又稱為電流噪聲 也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲 2nfcIiS ffff低頻區(qū)：低頻區(qū)： 300Hz300Hz以下以下機理目前機理目前尚不清楚尚不清楚a a、由實驗測量、由實驗測量 5 5溫度噪聲（熱探測器獨有）溫度噪聲（熱

41、探測器獨有）熱探測器中由于器件本身吸收和傳導等的熱交換熱探測器中由于器件本身吸收和傳導等的熱交換引起的溫度起伏引起的溫度起伏 G Gt t為器件的熱導，為器件的熱導，t t=C=Ct t/G/Gt t為器件的熱時間常數為器件的熱時間常數222412nttkTtfGf221tf224ntkTftG低頻低頻低頻溫度噪聲也有白噪聲性質低頻溫度噪聲也有白噪聲性質光電倍增管：散粒噪聲、光電倍增管：散粒噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光敏電阻：熱噪聲、產生光敏電阻：熱噪聲、產生復合噪聲、復合噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、PNPN結漏結漏電阻電阻

42、RshRsh的熱噪聲的熱噪聲熱探測器：溫度噪聲、熱噪聲熱探測器：溫度噪聲、熱噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路光電探測器光電探測器放大電路放大電路放大電路放大電路VsVsR R放大電路放大電路IsIsR RIsIs放大電路放大電路R R2ni放大電路放大電路IsIsR R 多個噪聲源多個噪聲源（互不相關）（互不相關） 222212nknnniiii 總一個噪聲源一個噪聲源兩個噪聲源兩個噪聲源IsIs放大電路放大電路R R21ni22ni放大電路放大電路R R21ni22ni那那個個等等效效正正確確科科10103.43.4、探測器的主要特性參數、探測器的主要特性參數l量子效率 l響應率（或積分靈敏度）

43、l光譜響應率 l頻率響應 l等效噪聲功率和探測率 量子效率量子效率l一定波長的光子入射到光電探測器件上時，所產生的光電子或光生載流子的數量與入射的光子數之比值叫做量子效率。heIpeesNN)()()()()(響應率（或積分靈敏度）響應率（或積分靈敏度）l探測器的輸出電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量e之比。電壓響應率：，單位：v/w。 電流響應率：，單位：A/w esVVSeSIIs光譜響應率光譜響應率l在波長為的單色光照射下，或 。l光譜響應率與量子效率是同一物理量的兩種表示方法：)()(esVVS)()(eSIIs1024)()()()()(IIeSSehcSheI頻率響應頻率響應 l對

44、脈沖光信號：響應時間表示探測器的惰性l上升弦：l下降弦：l通常情況：10( )(1)tsI tIe20( )tsI tI e21 時，時，相應的功率為相應的功率為1/21/2。稱稱為探測器的上限頻率為探測器的上限頻率l用一定振幅的正弦調制光照射探測器時 f=0時的響應率0122( )1 (2) IISSff 0IS210f00.707IISS等效噪聲功率和探測率等效噪聲功率和探測率 l當探測器輸出信號電流Is（或電壓Vs）等于噪聲的均方根電流 （或電壓 ）時，所對應的入射輻射通量 ，稱為等效噪聲功率 。 2ni2nVe22nIsnieSIiNEPseIIS探測器接收面積，探測器接收面積， 帶寬

45、帶寬l探測率21nIiSNEPD12*()dNEPNEPAf12*1()dDD AfNEPfANEPddAf歸一化參數歸一化參數因為因為l歸一化探測率參數通常附有測量條件：l指定光源（探測器光譜響應與光源的光譜匹配的越好，探測率就越高）l指定信號頻率（探測器噪聲與頻率有關）l指定測量帶寬l例：D*（500k，900，1）l光源為500k的黑體l調制頻率為900Hzl測量帶寬為1Hz線性線性 l線性是指探測器的輸出電流（或電壓）與輸入光的輻通量成正比例的程度和范圍 l線性l不易失真l易標定3.5 探測器的主要參數測試探測器的主要參數測試l探測器說明書有主要參數，為何還要測試？探測器說明書有主要參

46、數，為何還要測試？l說明書中的參數是典型值，由于制造工藝的離說明書中的參數是典型值，由于制造工藝的離散性，實際參數往往偏離典型值散性，實際參數往往偏離典型值l光譜響應率函數的測試光譜響應率函數的測試l響應率的測試響應率的測試l線性的測試線性的測試光譜響應率函數的測試光譜響應率函數的測試l標準探測器法標準探測器法l光譜響應率函數已知光譜響應率函數已知l光譜功率分布標準燈法光譜功率分布標準燈法l光譜功率分布已知光譜功率分布已知標準探測器法標準探測器法111( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrstsiTSiTS 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi

47、 步驟步驟1 1：測參：測參考及標準探考及標準探測器電流測器電流-(1)分束器分束器顯示顯示顯示顯示聚光鏡聚光鏡單色儀單色儀參考探測器參考探測器放大放大放大放大標準標準1( )( )T( )r( )t 222( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrtttiTSiTS 2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 步驟步驟2 2：測參：測參考及被測探考及被測探測器電流測器電流-(2)分束器分束器顯示顯示顯示顯示聚光鏡聚光鏡單色儀單色儀參考探測器參考探測器放大放大放大放大被測被測2( )( )T( )r( )t 1( )( )( )( )( )( )rrrs

48、tsSiSi -(1)-(2)2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 12( )( )( )( )( )( )trtsrsiiSSii( )( )rt 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi -(1)如果如果 已知，在步驟已知，在步驟1 1直接用被測探測器代替直接用被測探測器代替參考探測器，即可得到參考探測器，即可得到 ，為什么還要第，為什么還要第2 2步？步？( )tS( )( )rt 答：由于分束器的反射和透射對波長的敏感性答：由于分束器的反射和透射對波長的敏感性, ,分分束器的束器的 也是待標定量也是待標定量l標準探測器通常采用光譜響應平坦的熱電偶和標準探測器通常采用光譜響應平坦的熱電偶和熱釋電探測器熱釋電探測器l幾種分束器結構幾種分束器結構MDrDt/DsDsDtMDrDt/DsDrDs積分球積分球測量固體物質的漫反射譜測量固體物質的漫反射譜 工作原理：工作原理：輸入孔入射輸入孔入射球內表面無數次均勻漫射球內表面無數次均勻漫射球面球面上均勻的光強分布上均勻的光強分布