光輻射探測的理論基礎(chǔ)演示文稿

光輻射探測的理論基礎(chǔ)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有157頁\編于星期二\23點優(yōu)選光輻射探測的理論基礎(chǔ)當(dāng)前第2頁\共有157頁\編于星期二\23點1.1.1光的基本概念

領(lǐng)土安全、領(lǐng)空安全、領(lǐng)海安全、太空安全、電磁空間安全國家安全新概念：當(dāng)前第3頁\共有157頁\編于星期二\23點光的基本概念

電磁空間安全－－光學(xué)波段國家安全新概念：當(dāng)前第4頁\共有157頁\編于星期二\23點

光的基本概念光學(xué)譜區(qū)0.01μm~1000μm可見光區(qū)0.38μm~0.78μm紅外區(qū)0.78μm~1000μm紫外區(qū)0.01μm~0.38μm當(dāng)前第5頁\共有157頁\編于星期二\23點光電技術(shù)常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見光波段近紅外波段中紅外波段8

導(dǎo)彈羽煙警用紫外成像紅外制導(dǎo)紅外預(yù)警激光雷達(dá)激光通信當(dāng)前第6頁\共有157頁\編于星期二\23點光電技術(shù)常用的光波波段遠(yuǎn)紅外波段遠(yuǎn)近紫外波段可見光波段近紅外波段中紅外波段已開發(fā)利用波段待開發(fā)利用波段8當(dāng)前第7頁\共有157頁\編于星期二\23點光子能量公式光既是電磁波（波動性）又是光子流（粒子性）可見光光子的能量范圍為3.2～1.6eV

太赫茲波30～3000μm能量范圍為？～？eV光的基本概念當(dāng)前第8頁\共有157頁\編于星期二\23點

太赫茲波30～3000μm與X射線比較：當(dāng)前第9頁\共有157頁\編于星期二\23點1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量當(dāng)前第10頁\共有157頁\編于星期二\23點1.1.2輻射度量輻射度學(xué)是一門研究電磁輻射能測量的學(xué)科。本課程限于光學(xué)波段的研究討論。輻射度學(xué)電磁波客觀光度學(xué)可見光主觀（生理、心理）當(dāng)前第11頁\共有157頁\編于星期二\23點電磁波（Emission

）可見光（Visiblelight）－－輻射度量，Xe

－－光度量，Xv

1.1.2輻射度量當(dāng)前第12頁\共有157頁\編于星期二\23點

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe又稱輻射功率，簡稱功率單位：W

計算光電探測器的光電轉(zhuǎn)換能力常用輻射功率

分析強(qiáng)光對光電探測器破壞機(jī)理常用輻射能量

單位：J1.1.2輻射度量當(dāng)前第13頁\共有157頁\編于星期二\23點3．輻射強(qiáng)度

在給定方向上的立體角元內(nèi)，輻射源發(fā)出的輻射通量與立體角元之比單位：W/sr(瓦/球面度)輻射強(qiáng)度反映了輻射源能量分布的什么特點？當(dāng)前第14頁\共有157頁\編于星期二\23點3．輻射強(qiáng)度輻射源多為各向異性的，即Ie隨方向而改變超高壓球形氙燈輻射強(qiáng)度分布當(dāng)前第15頁\共有157頁\編于星期二\23點4．輻射出度Me與輻射亮度Le輻射出度Me

面輻射源元的輻射能力當(dāng)前第16頁\共有157頁\編于星期二\23點4．輻射出度Me與輻射亮度Le輻射出度Me

輻射亮度Le

面輻射源元的輻射能力面輻射源沿不同方向的輻射能力的差異當(dāng)前第17頁\共有157頁\編于星期二\23點5．輻射照度Ee輻射接收面上單位面積接受的輻射通量單位：W/m2

（瓦/平方米）比較：輻射照度Ee輻射出度Me當(dāng)前第18頁\共有157頁\編于星期二\23點例：常見的幾種顯示器為了反映顯示屏的特性，用上述哪個參數(shù)描述合適？為什么？為了描述顯示器的每個局部面元在各個方向的輻射能力，最適合的輻射度量是（）

A輻射照度B輻射強(qiáng)度

C輻射出度D輻射亮度當(dāng)前第19頁\共有157頁\編于星期二\23點6．光譜輻射量

輻射源－－多波長的輻射氘燈的光譜能量分布圖當(dāng)前第20頁\共有157頁\編于星期二\23點6．光譜輻射量

輻射源－－多波長的輻射熒光燈的光譜能量分布圖當(dāng)前第21頁\共有157頁\編于星期二\23點6．光譜輻射量光譜輻射量是該輻射量在波長λ處的單位波長間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率。光譜輻射通量Φe(λ)：光譜輻射通量與波長的關(guān)系：當(dāng)前第22頁\共有157頁\編于星期二\23點

1．輻射能Qe

2．輻射通量Φe3．輻射強(qiáng)度

4．輻射出射度Me與輻射亮度Le

5．輻射照度Ee6．光譜輻射量光電技術(shù)中最常用：輻射照度輻射通量1.1.2輻射度量當(dāng)前第23頁\共有157頁\編于星期二\23點1.1.3光度量

人眼只能感知波長在0.38～0.78μm之間的輻射人眼對不同波長的感光靈敏度不同1．光譜光視效率或視見函數(shù)

最大值在555nm表1－1當(dāng)前第24頁\共有157頁\編于星期二\23點2．光度量的基本物理量光度量的基本物理量與輻射度量一一對應(yīng)輻射度量符號單位名稱光度量符號單位名稱輻［射］能Qe焦耳(J)光能Qv流明秒(lm·s)輻［射］通量或輻［射］功率Φe瓦(W)光通量或光功率Φv流明(lm)輻［射］照度Ee瓦/平方米(W·m-2)[光]照度Ev勒克斯(lx=lm·m-2)輻［射］出度Me瓦/平方米(W·m-2)[光]出度Mv流明/平方米(lm·m-2)輻［射］強(qiáng)度Ie瓦/球面度(W·sr-1)發(fā)光強(qiáng)度Iv坎德拉(cd=lm·sr-1)輻［射］亮度Le瓦/平方米球面度(W·m-2sr-1)[光]亮度Lv坎德拉/平方米(cd·m-2)當(dāng)前第25頁\共有157頁\編于星期二\23點發(fā)光強(qiáng)度單位—坎德拉（Candela），記作cd。即λ=555nm時，有國際單位制中七個基本單位之一：3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系λ=555nm時λ=？nm時當(dāng)前第26頁\共有157頁\編于星期二\23點3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系λ=555nm時λ=？nm時任意波長：－－其光度量當(dāng)前第27頁\共有157頁\編于星期二\23點3．輻射度量與光度量間的換算關(guān)系日元美元光度量輻射度量當(dāng)前第28頁\共有157頁\編于星期二\23點光度量單位舉例：例2：無月夜天光照度～3×10-4lx（微光夜視）白天辦公室光照度

2～100lx

對CCD攝像機(jī)黑白圖像照度≥0.02lx

彩色圖像照度≥2lx例3：海平面太陽光平均亮度

1.6×109cd.m-210mW氦－氖激光器亮度6.66×1011cd.m-2

例1：教室投影儀器光通量2000lm～2500lm

高檔的光通量3500lm當(dāng)前第29頁\共有157頁\編于星期二\23點輻射度與光度量總結(jié)：ΦeMeIeLeSΩΦvMvIvLvSΩcosqcosq當(dāng)前第30頁\共有157頁\編于星期二\23點1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量當(dāng)前第31頁\共有157頁\編于星期二\23點輻射度學(xué)與光度學(xué)的兩條基本定律1．輻射強(qiáng)度余弦定律2．距離平方反比定律當(dāng)前第32頁\共有157頁\編于星期二\23點1．輻射強(qiáng)度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

例如：太陽熒光屏毛玻璃燈罩坦克表面

兩條基本定律當(dāng)前第33頁\共有157頁\編于星期二\23點1．輻射強(qiáng)度余弦定律“余弦輻射體”或“朗伯輻射體”

特點：各方向的輻射亮度是一樣的

重要結(jié)論：（自行推導(dǎo)）兩條基本定律當(dāng)前第34頁\共有157頁\編于星期二\23點2．距離平方反比定律意義：

計算面元接收到光能量點光源A，距離光源為R微面元dS，照度：應(yīng)用條件：

光源尺寸遠(yuǎn)小于距離R兩條基本定律當(dāng)前第35頁\共有157頁\編于星期二\23點第01章光輻射探測的理論基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測器概述當(dāng)前第36頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體基礎(chǔ)許多光電探測器都是由半導(dǎo)體材料制作的

半導(dǎo)體材料具有許多獨特物理性質(zhì)－專門學(xué)科：半導(dǎo)體物理學(xué)當(dāng)前第37頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第38頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2.1能帶理論1．原子能級與晶體能帶

電子共有化，能級擴(kuò)展為能帶1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識a)單個原子b)N個原子最外層電子自由電子當(dāng)前第39頁\共有157頁\編于星期二\23點1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg價電子（最外層電子）能級相對應(yīng)的能帶1.2.1能帶理論當(dāng)前第40頁\共有157頁\編于星期二\23點1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg3.價電子--自由電子，要吸收能量特別指出：1.價帶中電子，價電子－－不能參與導(dǎo)電2.導(dǎo)帶中電子，自由電子－－能參與導(dǎo)電1.2.1能帶理論當(dāng)前第41頁\共有157頁\編于星期二\23點1．原子能級與晶體能帶價帶Ev導(dǎo)帶Ec禁帶Eg

為什么只考慮導(dǎo)帶與價帶之間的禁帶？1.2.1能帶理論當(dāng)前第42頁\共有157頁\編于星期二\23點絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖SiO2Eg=5.2evSiEg=1.1evEg=0電阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半導(dǎo)體具有獨特光電特性－－重要應(yīng)用價值能帶理論當(dāng)前第43頁\共有157頁\編于星期二\23點本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，又稱I型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

能帶理論2.半導(dǎo)體分類當(dāng)前第44頁\共有157頁\編于星期二\23點2．半導(dǎo)體能帶以硅晶體為例能帶理論共價鍵電子—空穴對－－載流子－－本征激發(fā)室溫或光照射當(dāng)前第45頁\共有157頁\編于星期二\23點2．半導(dǎo)體能帶能帶理論室溫或光照射共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體能帶圖當(dāng)前第46頁\共有157頁\編于星期二\23點N型半導(dǎo)體能帶N型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體能帶理論施主能級？當(dāng)前第47頁\共有157頁\編于星期二\23點N型半導(dǎo)體含有三種載流子：

自由電子數(shù)>>空穴數(shù)目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半導(dǎo)體PP能帶理論當(dāng)前第48頁\共有157頁\編于星期二\23點N型半導(dǎo)體含有三種載流子：

自由電子數(shù)>>空穴數(shù)目?(多子)(少子)

“Negative”——N型半導(dǎo)體PP能帶理論當(dāng)前第49頁\共有157頁\編于星期二\23點P型半導(dǎo)體能帶N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體能帶理論當(dāng)前第50頁\共有157頁\編于星期二\23點P型半導(dǎo)體含有三種載流子：空穴數(shù)目>>自由電子數(shù)目？

(多子)(少子)BBBBB能帶理論當(dāng)前第51頁\共有157頁\編于星期二\23點2．半導(dǎo)體能帶能帶理論－－三者的差異？？？當(dāng)前第52頁\共有157頁\編于星期二\23點N型半導(dǎo)體：施主能級P型半導(dǎo)體：受主能級摻雜百萬分之一的雜質(zhì),載流子濃度提高百萬倍？能帶理論當(dāng)前第53頁\共有157頁\編于星期二\23點總結(jié)：N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性N型施主雜質(zhì)

電子

空穴電子濃度nn>>空穴濃度pnP型受主雜質(zhì)

空穴

電子電子濃度np<<空穴濃度pp能帶理論當(dāng)前第54頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第55頁\共有157頁\編于星期二\23點熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識一個不受外界影響的封閉系統(tǒng)，其狀態(tài)參量（如溫度、載流子濃度等）與時間無關(guān)的狀態(tài)稱為熱平衡態(tài)。

載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度當(dāng)前第56頁\共有157頁\編于星期二\23點熱平衡狀態(tài)下的載流子－－熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為：Ef－－費米能級載流子的分布服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律

當(dāng)前第57頁\共有157頁\編于星期二\23點費米能級Ef

的物理意義

熱平衡狀態(tài)下的載流子Ef的意義是電子占據(jù)率為0.5時所對應(yīng)的能級

當(dāng)前第58頁\共有157頁\編于星期二\23點熱平衡狀態(tài)下的載流子電子占據(jù)概率：

空穴占據(jù)概率：

當(dāng)前第59頁\共有157頁\編于星期二\23點熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度占據(jù)概率：

當(dāng)前第60頁\共有157頁\編于星期二\23點導(dǎo)帶中電子占據(jù)的概率：導(dǎo)帶中總的電子濃度：當(dāng)前第61頁\共有157頁\編于星期二\23點導(dǎo)帶電子濃度：價帶空穴濃度：熱平衡狀態(tài)下的載流子載流子的分布當(dāng)前第62頁\共有157頁\編于星期二\23點本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體中的費米能級：

用費米能級描述載流子分布－－“標(biāo)尺”熱平衡狀態(tài)下的載流子半導(dǎo)體費米能級推導(dǎo)練習(xí)：畫出輕摻雜N型和重?fù)诫sN型費米能級示意圖當(dāng)前第63頁\共有157頁\編于星期二\23點熱平衡狀態(tài)下的載流子熱平衡態(tài)1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識載流子的分布導(dǎo)帶中電子的濃度價帶中空穴的濃度用費米能級Ef描述：本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體總結(jié)：當(dāng)前第64頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第65頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識當(dāng)前第66頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收半導(dǎo)體對光的吸收非本征吸收當(dāng)前第67頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收：

光子能量足夠大，價帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶

－截止波長產(chǎn)生電子－空穴對條件：特點：當(dāng)前第68頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)部，都有可能發(fā)生本征吸收?。。√貏e注意：當(dāng)前第69頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收非本征吸收：光子能量不足以使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收

雜質(zhì)吸收：N型半導(dǎo)體施主束縛電子導(dǎo)帶P型半導(dǎo)體受主束縛空穴價帶當(dāng)前第70頁\共有157頁\編于星期二\23點半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收電子－空穴對雜質(zhì)吸收本征吸收雜質(zhì)吸收波長增大本征吸收與非本征吸收比較：電子或空穴當(dāng)前第71頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第72頁\共有157頁\編于星期二\23點非平衡狀態(tài)下的載流子1．非平衡載流子的注入和復(fù)合2.非平衡載流子的壽命1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識當(dāng)前第73頁\共有157頁\編于星期二\23點1．非平衡載流子的注入和復(fù)合非平衡載流子（過剩載流子）非平衡狀態(tài)下的載流子光生載流子熱生載流子當(dāng)前第74頁\共有157頁\編于星期二\23點1．非平衡載流子的注入和復(fù)合產(chǎn)生：復(fù)合：－－使非平衡載流子濃度增加的運動－－使非平衡載流子濃度減小的運動壽命？？？

非平衡狀態(tài)下的載流子當(dāng)前第75頁\共有157頁\編于星期二\23點2.非平衡載流子的壽命光生載流子的平均生存時間稱為光生載流子的壽命，用τc表示。以N型為例，少子的壽命？？？非平衡狀態(tài)下的載流子當(dāng)前第76頁\共有157頁\編于星期二\23點2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命非平衡狀態(tài)下的載流子復(fù)合率：（熱）產(chǎn)生率：

r為復(fù)合系數(shù)

熱平衡時為什么？？？當(dāng)前第77頁\共有157頁\編于星期二\23點2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命非平衡狀態(tài)下的載流子光生電子－空穴對的直接復(fù)合率可用材料中少子的變化率表示為

弱注入Δn(t)=Δp(t)<<n0當(dāng)前第78頁\共有157頁\編于星期二\23點2.非平衡載流子的壽命以N型為例，計算弱注入條件下少子的壽命非平衡狀態(tài)下的載流子弱注入條件下，載流子壽命與熱平衡時多子電子的濃度成反比，并且在一定溫度下是一個常數(shù)。

表明：當(dāng)前第79頁\共有157頁\編于星期二\23點2.非平衡載流子的壽命①表征復(fù)合的強(qiáng)弱②τc決定線性光電導(dǎo)探測器的時間特性③τc的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷等因素有關(guān)。τc的物理意義：非平衡狀態(tài)下的載流子τc的適應(yīng)條件：－－本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱注入當(dāng)前第80頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第81頁\共有157頁\編于星期二\23點1.2.5載流子的擴(kuò)散與漂移

1．?dāng)U散

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散長度L1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識當(dāng)前第82頁\共有157頁\編于星期二\23點2．漂移

載流子受電場作用所發(fā)生的運動稱為漂移。電子遷移率

μ電子電流：空穴電流：載流子的擴(kuò)散與漂移當(dāng)前第83頁\共有157頁\編于星期二\23點第01章光輻射探測的理論基礎(chǔ)輻射度量學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)光電探測器概述當(dāng)前第84頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3光電探測器概述光電效應(yīng)光熱效應(yīng)當(dāng)前第85頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3光電探測器概述光輻射非傳導(dǎo)電子--傳導(dǎo)電子光輻射--電信號(廣義)光電探測器:光電探測器的分類方法當(dāng)前第86頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3光電探測器概述1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2光探測器的噪聲1.3.3光探測器的性能參數(shù)當(dāng)前第87頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)利用光電效應(yīng)制成的光電探測器稱為光子探測器，如光電導(dǎo)探測器、光伏探測器、光電子發(fā)射探測器等。1.3光電探測器概述當(dāng)前第88頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)2.光伏效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第89頁\共有157頁\編于星期二\23點1.光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)(雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng))－－雜質(zhì)吸收－－本征吸收當(dāng)前第90頁\共有157頁\編于星期二\23點1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

暗電導(dǎo)率：亮電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率的相對值：

當(dāng)前第91頁\共有157頁\編于星期二\23點1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

光電導(dǎo)率的相對值：

要制成（相對）光電導(dǎo)高的器件，應(yīng)該使n0和p0有較小數(shù)值。因此，光電導(dǎo)器件一般是由高阻材料制成或者在低溫下使用。

當(dāng)前第92頁\共有157頁\編于星期二\23點1.光電導(dǎo)效應(yīng)

本征光電導(dǎo)

光電導(dǎo)率：

非本征光電導(dǎo)

光電導(dǎo)率：當(dāng)前第93頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)2.光伏效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第94頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)NPPN結(jié)光

一塊半導(dǎo)體，P區(qū)與N區(qū)的交界面稱為PN結(jié)。PN結(jié)受到光照時，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)當(dāng)前第95頁\共有157頁\編于星期二\23點1)PN結(jié)的形成

擴(kuò)散

形成：離子區(qū)耗盡區(qū)空間電荷區(qū)阻擋層

內(nèi)建電場

(結(jié)電場)濃度差異E2.光伏效應(yīng)當(dāng)前第96頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成

漂移

內(nèi)建電場自建電場E擴(kuò)散與漂移方向相反當(dāng)前第97頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成擴(kuò)散==漂移平衡PN結(jié)當(dāng)前第98頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)1)PN結(jié)的形成（多子）擴(kuò)散

（少子）漂移濃度差異內(nèi)建電場當(dāng)前第99頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)PN結(jié)的形成摘自教育部新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程《電子技術(shù)》—大連海事大學(xué)制作當(dāng)前第100頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢壘結(jié)合前結(jié)合后費米能級與導(dǎo)帶或價帶的相對位置由材料摻雜決定一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級當(dāng)前第101頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢壘結(jié)合后一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級例如：長沙－－就業(yè)率較低，收入較低深圳－－就業(yè)率較高，收入較高人才怎樣流動？當(dāng)前第102頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)2)PN結(jié)能帶與勢壘*

E電場力類比:小球滾上山坡速度方向重力分力mgh當(dāng)前第103頁\共有157頁\編于星期二\23點3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容2.光伏效應(yīng)偏壓：外加在PN結(jié)兩端的電壓方向由P區(qū)指向N區(qū)正向電流：當(dāng)前第104頁\共有157頁\編于星期二\23點正向偏壓:負(fù)離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容

正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變小當(dāng)前第105頁\共有157頁\編于星期二\23點3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容電流方程：正向偏壓繼續(xù)增大，耗盡層越來越薄·······當(dāng)前第106頁\共有157頁\編于星期二\23點反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容

反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變大當(dāng)前第107頁\共有157頁\編于星期二\23點反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容反向電流:－－數(shù)值較?。?？？當(dāng)前第108頁\共有157頁\編于星期二\23點PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉越逃啃率兰o(jì)網(wǎng)絡(luò)課程《電子技術(shù)》—大連海事大學(xué)制作當(dāng)前第109頁\共有157頁\編于星期二\23點3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容電流方程：正向電流和反向電流：當(dāng)前第110頁\共有157頁\編于星期二\23點3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容耗盡區(qū)寬度：單位面積結(jié)電容：減小結(jié)電容對提高光伏器件的響應(yīng)速度有重要的意義！當(dāng)前第111頁\共有157頁\編于星期二\23點2.光伏效應(yīng)4)PN結(jié)光電效應(yīng)平均擴(kuò)散長度電子—空穴對分離電子—空穴對光照光生電勢差討論：光－電轉(zhuǎn)換時間當(dāng)前第112頁\共有157頁\編于星期二\23點光生電動勢與光電流＋－光電流方向光生電動勢方向光電流方向與普通二極管電流相反4)PN結(jié)光電效應(yīng)當(dāng)前第113頁\共有157頁\編于星期二\23點光電流光照下PN結(jié)的電流方程：普通二極管電流4)PN結(jié)光電效應(yīng)2.光伏效應(yīng)當(dāng)前第114頁\共有157頁\編于星期二\23點思考題：PN結(jié)加正向偏壓，如何影響光伏效應(yīng)？正向偏壓：4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)論：PN結(jié)加正向偏壓，不利于結(jié)區(qū)光生電子、空穴對的分離，光電效應(yīng)不明顯。當(dāng)前第115頁\共有157頁\編于星期二\23點4)PN結(jié)光電效應(yīng)總結(jié)：光生電動勢光生電流（光電流）正反向偏壓對光電效應(yīng)的影響光伏效應(yīng)光照下PN結(jié)的電流方程當(dāng)前第116頁\共有157頁\編于星期二\23點4)PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)受到光照時，若入射光子能量大于材料禁帶寬度，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。

當(dāng)前第117頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)2.光伏效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第118頁\共有157頁\編于星期二\23點3.光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受到光照時，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。－－又稱外光電效應(yīng)。逸出物質(zhì)表面的電子叫做光電子。

1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)當(dāng)前第119頁\共有157頁\編于星期二\23點3.光電發(fā)射效應(yīng)1)愛因斯坦定律W-逸出功

截止波長（長波限）當(dāng)前第120頁\共有157頁\編于星期二\23點－－光電發(fā)射－－本征吸收－－雜質(zhì)吸收結(jié)論：3.光電發(fā)射效應(yīng)－－截止波長對比波長增大光電發(fā)射雜質(zhì)吸收本征吸收當(dāng)前第121頁\共有157頁\編于星期二\23點3.光電發(fā)射效應(yīng)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

半導(dǎo)體發(fā)射閾值:當(dāng)前第122頁\共有157頁\編于星期二\23點基本概念：真空能級E0

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EA

真空能級與導(dǎo)帶底能級之差稱為電子親和勢2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值電子親和勢的物理意義？當(dāng)前第123頁\共有157頁\編于星期二\23點3.光電發(fā)射效應(yīng)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金屬逸出功:

半導(dǎo)體發(fā)射閾值:當(dāng)前第124頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)2.光伏效應(yīng)3.光電發(fā)射效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第125頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律量子效率轉(zhuǎn)換規(guī)律－－適應(yīng)范圍：光子探測器當(dāng)前第126頁\共有157頁\編于星期二\23點4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律量子效率：

－－原因：反射、透射、散射等

探測器類型η（％）光電導(dǎo)探測器（本征）～60光電導(dǎo)探測器（非本征）～30光伏探測器～60光電子發(fā)射探測器～10當(dāng)前第127頁\共有157頁\編于星期二\23點

量子效率進(jìn)一步分析：

距表面位置x處Δx的長度內(nèi)，單位時間吸收的光子數(shù)為：單位體積內(nèi)電子－空穴對的產(chǎn)生率（m?3s?1）4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第128頁\共有157頁\編于星期二\23點

量子效率進(jìn)一步分析：

單位體積內(nèi)電子－空穴對的產(chǎn)生率（m?3s?1）x方向的電流密度（A/m2）為4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第129頁\共有157頁\編于星期二\23點

量子效率進(jìn)一步分析：

x方向的電流密度（A/m2）為4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第130頁\共有157頁\編于星期二\23點

量子效率進(jìn)一步分析：

提高量子效率：－－反射率r低，－－吸收系數(shù)α大，－－吸收厚長度lx要大例如，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(qiáng)吸收等。中科院已研制出量子效率高達(dá)85.6％GaN基PIN結(jié)構(gòu)紫外探測器4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第131頁\共有157頁\編于星期二\23點

光子探測器光－電轉(zhuǎn)換基本規(guī)律：（1）光電流與入射光平均功率成正比（2）光電流與光電場強(qiáng)度的平方成正比－－光子探測器為平方律器件4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律當(dāng)前第132頁\共有157頁\編于星期二\23點

光照時每產(chǎn)生一個光電子，在探測器的外電路中都輸出一個電子外電路中單位時間內(nèi)輸出的電子數(shù)大于甚至遠(yuǎn)大于單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)－－光電增益M

4.光電轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律光電增益M比較：光電增益與量子效率當(dāng)前第133頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3光電探測器概述1.3.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1.3.2光電探測器的噪聲1.3.3光電探測器的性能參數(shù)當(dāng)前第134頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.2光電探測器的噪聲1.3光電探測器概述噪聲的基本概念噪聲的表示方法探測器噪聲分類當(dāng)前第135頁\共有157頁\編于星期二\23點信號平均值處有隨機(jī)起伏－－含有噪聲例如：放音機(jī)的噪聲激光器的噪聲1.3.2光電探測器的噪聲噪聲的基本概念噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理當(dāng)前第136頁\共有157頁\編于星期二\23點用均方噪聲

多個噪聲源（互相獨立、不相關(guān)）1.3.2光電探測器的噪聲噪聲的表示方法噪聲功率譜當(dāng)前第137頁\共有157頁\編于星期二\23點光電探測系統(tǒng)噪聲：1.3.2光電探測器的噪聲噪聲影響信號（特別是弱信號）的測量和處理當(dāng)前第138頁\共有157頁\編于星期二\23點1.3.2光電探測器的噪聲探測器的噪聲1．熱噪聲(Johnson噪聲)2.散粒噪聲3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲

4．1/f噪聲

5．溫度噪聲

當(dāng)前第139頁\共有157頁\編于星期二\23點1．熱噪聲(Johnson噪聲)熱噪聲是由于載流子的熱運動而引起電流或電壓的隨機(jī)起伏。1.3.2光電探測器的噪聲為測量的頻帶寬度熱噪聲：白噪聲當(dāng)前第140頁\共有157頁\編于星期二\23點2.散粒噪聲（Shot噪聲）光電探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下引起光電子或載流子的隨機(jī)起伏I為器件輸出平均電流散粒噪聲：白噪聲1.3.2光電探測器的噪聲當(dāng)前第141頁\共有157頁\編于星期二\23點3．產(chǎn)生－復(fù)合噪聲－－又稱為g－r噪聲（GenerationRecombination）半導(dǎo)體器件中由于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合而引起的平均載流子濃度的隨機(jī)起伏。I為總的平均電流；M為光電增益1.3.2光電探測器的噪聲產(chǎn)生－復(fù)合噪聲不再是“白”噪聲？？當(dāng)前第142頁\共有157頁\編于星期二\23點4．1/f噪聲1/f噪聲通常又稱為電流噪聲－－也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲低頻區(qū)：1kHz以下機(jī)理目前尚不清楚1.3.2光電探測器的噪聲當(dāng)前第143頁\共有157頁\編于星期二\2