半導(dǎo)體光效應(yīng)

1、半導(dǎo)體光效應(yīng)第1頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí),材料吸收光子的能量，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。主要有本征光電導(dǎo)與非本征光電導(dǎo)。下面討論本征光電導(dǎo)： 本征半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)圖討論光電探測(cè)器的一般步驟：定性分析：工作原理定量計(jì)算：性能分析：靈敏度，光譜響應(yīng)特性，線性關(guān)系等第2頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)入射光功率為為常數(shù)時(shí)：用來(lái)產(chǎn)生光電效應(yīng)的光功率:產(chǎn)生非平衡載流子的光子數(shù)：產(chǎn)生非平衡載流子的濃度：在穩(wěn)定光照下，光生載流子不斷產(chǎn)生，同時(shí)

2、也不斷復(fù)合。在穩(wěn)定時(shí)光生載流子的濃度為：光電導(dǎo)為：暗電導(dǎo)為：第3頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)那么它的短路光電流密度為：產(chǎn)生的短路光電流：光電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。考察其瞬態(tài)過程：第4頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)積分得到： 矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時(shí)：頻率響應(yīng)： 正弦光照弛豫過程圖第5頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電導(dǎo)效應(yīng)光譜響應(yīng)：探測(cè)器的輸出與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系注意條件：

3、理想情況實(shí)際情況第6頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生機(jī)制：光生載流子的濃度梯度光電磁效應(yīng)勢(shì)壘效應(yīng)（PN結(jié)）第7頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光生伏特效應(yīng)PN結(jié)光伏效應(yīng)半導(dǎo)體的PN結(jié)P型N型P型N型EfpEfnEf能級(jí)彎曲的原因：在熱平衡條件下，同一體系具有相同的費(fèi)米能級(jí)能級(jí)是相對(duì)于電子來(lái)說的，在經(jīng)過PN結(jié)時(shí)電場(chǎng)力做功， 電勢(shì)能降低第8頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二P-N結(jié)光伏效應(yīng)NNPVIsIdI二極管的伏

4、安特性電流：那么流過PN結(jié)的電流為：第9頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光伏效應(yīng)vId它的供電電流為：二極管伏安特性vI光敏二極管伏安特性短路電流為：開路電壓：說明：第三象限為光電流區(qū) 第四象限為光電池區(qū) 第一象限不利用 第10頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。外光電效應(yīng)的兩個(gè)基本定律：1光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律： 當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)， 飽和光電流（

5、即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與 入射 光強(qiáng)度成正比： 2. 光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律 光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng) 度無(wú)關(guān)： Emax=(1/2)m2max=h- h0=h- W第11頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光電發(fā)射效應(yīng)表面勢(shì)壘：金屬表面形成的偶電層使表面電位突變。EE0Ef金屬表面勢(shì)壘光電發(fā)射大致可分三個(gè)過程： 1)金屬的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。 2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。 3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)

6、電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。E0WEf第12頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體光電反射半導(dǎo)體的光電發(fā)射逸出供為：E0EcEfEgWEA（其中EA為電子親和勢(shì)）半導(dǎo)體光電發(fā)射注意：在光電效應(yīng)里面：包括內(nèi)電光與外電光 效應(yīng)，都存在著一個(gè)閥值波長(zhǎng)問題第13頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器的噪聲一般光電系統(tǒng)的噪聲：目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器前放信號(hào)處理顯示光子噪聲探測(cè)噪聲處理電路噪聲光子噪聲： 信號(hào)輻射產(chǎn)生的噪聲與背景噪聲探測(cè)器噪聲：熱噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生與復(fù)合 噪聲， 溫度噪聲，1/f噪聲第14頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)

7、37分，星期二探測(cè)器的噪聲噪聲的分類：隨機(jī)的噪聲，其功率與頻率無(wú)關(guān)（白噪聲） 與頻率有關(guān)的1/f噪聲1/f噪聲白噪聲fS(f)噪聲的主導(dǎo)地位：在低頻時(shí)， 1/f噪聲起主導(dǎo)作用在中頻時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合噪聲起主導(dǎo)作用在高頻時(shí)，白噪聲起主導(dǎo)作用噪聲的克服第15頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二等效噪聲帶寬fffAmN(f)A(f)若光電系統(tǒng)中的放大器或網(wǎng)絡(luò)的功率增益為A(f),功率增益的最大值為Am,則噪聲帶寬為：說明：噪聲均方電流或均方電壓時(shí)，用此等效帶寬。第16頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器的主要參數(shù)響應(yīng)率（積分靈敏度）或光譜響應(yīng)率或第17頁(yè)，共3

8、4頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器的主要參數(shù)等效噪聲功率與探測(cè)率它反映了能探測(cè)到的最小光功率響應(yīng)時(shí)間：第18頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二關(guān)于響應(yīng)時(shí)間積分得到： 矩形脈沖光照弛豫過程圖同樣停止光照時(shí)：頻率響應(yīng)： 正弦光照弛豫過程圖第19頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二線性線性：指探測(cè)器的輸出光電流或光電壓與入射光功 率的 成比例的程度，其與工作狀態(tài)有關(guān)vI光敏二極管伏安特性RPN在作線性光電池時(shí)，R的取值問題第20頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法：通

9、過比較被測(cè)探測(cè)器與標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在每一波長(zhǎng)上的響應(yīng)，來(lái)確定被測(cè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)函數(shù)分束器顯示顯示光源聚光鏡單色儀參考探測(cè)器放大放大標(biāo)準(zhǔn)或被測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)思，參考探測(cè)器的作用，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的作用第21頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試響應(yīng)率的測(cè)試（積分靈敏度）探測(cè)器的響應(yīng)率：放大電表示波器鎖相探測(cè)器限光屏斬光器輻射源電機(jī)輸出抗干擾方法: 調(diào)制第22頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二探測(cè)器主要參數(shù)的測(cè)試線性的測(cè)試顯示探測(cè)器光源導(dǎo)軌L在上圖中入射到探測(cè)器的輻射通量與距離的平方成反比，因此，可以通過改變距離的方式來(lái)改變輻射通量。畫出響應(yīng)函數(shù)與距離平

10、方倒數(shù)的關(guān)系曲線，即可求出探測(cè)器的線性范圍。第23頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光度學(xué)(Photometry)與輻射度學(xué)(Radiometry)輻射度的基本物理量輻射能：輻射通量：輻射強(qiáng)度：輻射出射度： 輻射照度：輻射亮度：光譜輻射量：第24頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光譜光視效率 光譜光視效率V()曲線 圖中實(shí)線為在視場(chǎng)較亮?xí)r測(cè)得的，稱為明視覺V()曲線；虛線為在視場(chǎng)較暗時(shí)測(cè)得的，稱為暗視覺V()曲線根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究，可統(tǒng)計(jì)出各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度。列于下表： 明暗視覺的分界:3cd/m2明視覺的最大值為555nm明視覺的最大值

11、為507nm第25頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光度學(xué)(Photometry)光度學(xué)研究對(duì)可見光的能量的計(jì)算，它使用的參量稱為光度量。以人的視覺習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。光度量與輻射度量的關(guān)系輻射度光度學(xué)人眼第26頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光度學(xué)(Photometry)輻射度量與光度量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系：（參見書本的的第4頁(yè)）注意的是： 探測(cè)器的的性能參數(shù)可能用不同的單位來(lái)量， 但其本質(zhì)是一致的。加深理解：參見課后練習(xí)（11).第27頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)制成的光

12、電探測(cè)器件。其最典型的器件是光明電阻。光明電阻的特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬工作電流大所測(cè)的光強(qiáng)范圍廣靈敏度高偏置電壓低，無(wú)極性之分不足之處是：在強(qiáng)光下線性較差，光電馳豫過程較長(zhǎng)，頻率響應(yīng)低。第28頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光明電阻光明電阻的工作原理：注意本征光電導(dǎo)與雜質(zhì)光電導(dǎo)的聯(lián)系與區(qū)別：對(duì)于雜質(zhì)光電導(dǎo)一般采用N型光電導(dǎo)材料光明電阻的主要特性參數(shù)：光電導(dǎo)增益 由光照形成的光生載流子在電場(chǎng)作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部電流之間的比值：參見書本：（表示單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)）內(nèi)部電流：qN 外部光電流為：故增益為：第29頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光明電阻光電導(dǎo)與光伏探測(cè)器的區(qū)別：光電導(dǎo)：光照產(chǎn)生非平衡載流子以致改變材料的電導(dǎo)率，不會(huì)產(chǎn)生光電流，要產(chǎn)生電流必須外加電場(chǎng)。光伏：同樣產(chǎn)生非平衡載流子，但內(nèi)部存在一種分開機(jī)制，使得電子與空穴分離而形成光電流，不需要外加電壓。在光敏二級(jí)管時(shí)要加電壓，作用？NNPVIsIdI第30頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)37分，星期二光明電阻光譜響應(yīng)率時(shí)間常數(shù)線性前歷效應(yīng)溫度特性常用的光明電阻：了解各種光明電阻的特性，用途