光電檢測技術基礎ppt課件(已修改)
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【正文】 2022/6/3 光信息科學與技術系 1 第二章 光電檢測技術基礎 2022/6/3 光信息科學與技術系 2 導體、半導體和絕緣體 ? 自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 ? 固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。 ? 電阻率 106 ~103歐姆 ?厘米范圍內(nèi) —— 導體 ? 電阻率 1012歐姆 ?厘米以上 —— 絕緣體 ? 電阻率介于導體和絕緣體之間 —— 半導體 2022/6/3 光信息科學與技術系 3 半導體的特性 ? 半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制作熱電探測器件。 ? 導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。 （純凈 Si在室溫下電導率為 5*106/(歐姆 ?厘米 )。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率為 2 /(歐姆 ?厘米 )) ? 半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。 2022/6/3 光信息科學與技術系 4 本征和雜質(zhì) 半導體 ? 本征半導體 就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體 。 ? 在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導帶中的量子態(tài)全部空著。 ? 在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導體的導電性質(zhì)。 ? 摻入的雜質(zhì)可以分為 施主雜質(zhì) 和 受主雜質(zhì) 。 ? 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電子導電的 n型半導體。 ? 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的 p型半導體。 2022/6/3 光信息科學與技術系 5 平衡和非平衡載流子 ? 處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為 平衡載流子 濃度。 ? 半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 ? 處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為 非平衡載流子 。 2022/6/3 光信息科學與技術系 6 非平衡載流子的產(chǎn)生 ? 光注入 ：用光照使得半導體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子 。 ? 當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時 ， 光子就能把價帶電子激發(fā)到導帶上去 ， 產(chǎn)生電子－空穴對 ， 使導帶比平衡時多出一部分電子 ， 價帶比平衡時多出一部分空穴 。 ? 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度 。 ? 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。 ? 其它方法 ：電注入 、 高能粒子輻照等 。 2022/6/3 光信息科學與技術系 7 載流子的輸運過程 ? 擴散 ? 漂移 ? 復合 2022/6/3 光信息科學與技術系 8 半導體對光的吸收 ? 物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。 ? 吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收 ? 本征吸收 —— 由于光子作用使電子由價帶躍遷到導帶 ? 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)生本征激發(fā) 2022/6/3 光信息科學與技術系 9 雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收 ? 引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應等于雜質(zhì)的電離能 ? 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小， 雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長波方向 . ? 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。 載流子濃度很大時，導帶中的電子和價帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收 2022/6/3 光信息科學與技術系 10 激子和晶格吸收 ? 指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?，或由庫侖力相互作用形成電子和空穴的能量? 這種吸收對光電導沒有貢獻，甚至會降低光電轉(zhuǎn)換效率。 2022/6/3 光信息科學與技術系 11 光電導效應、光生伏特效應和光熱效應 ? 光電效應：物質(zhì)受光照射后，材料電學性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。 包括： 外光電效應： 產(chǎn)生電子發(fā)射 內(nèi)光電效應： 內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化 2022/6/3 光信息科學與技術系 12 光電效應解釋 ? 物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì) 中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導效應、光生伏特效應和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。 ? 在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點 ： ? 原因：是輻射，而不是升溫； ? 現(xiàn)象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化； ? 結(jié)果：電導 率變化 、光生伏特、光電子發(fā)射。 ? 簡單記為：輻射 → 電子運動狀態(tài)發(fā)生變化 → 光電導效應、光生伏特效應、光電子發(fā)射。 2022/6/3 光信息科學與技術系 13 光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應的起因 ? 光電效應的起因： 在光的作用下 ， 當光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時 ，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài) ， 脫離原子核的束縛 ， 在外電場作用下參與導電 ， 因而產(chǎn)生了光電效應 。 ?
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