[工學(xué)]第二章__光電檢測(cè)器件工作原理及特性(編輯修改稿)
2024-11-09 15:21 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 )1(01）本征吸收 半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激 發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。 本征吸收的條件：入射光子的能量（ hv）至少要等于材料的禁帶寬度 Eg。即 gEhv ?從而有 hE g?0?材料的頻率閾值 gg EEhc 0 ???材料的波長閾值 幾種重要半導(dǎo)體材料的波長閾值 材料 溫度 /K Eg /eV λ/μm 材料 溫度 /K Eg /eV λ/μm Se 300 InSb 300 Ge 300 GaAs 300 Si 290 GaP 300 PbS 295 2）非本征吸收 主要有四種： 雜質(zhì)吸收 自由載流子吸收 激子吸收 晶格吸收 （ 1）雜質(zhì)吸收 雜質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價(jià)帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠(yuǎn)紅外區(qū)。 （ 2）自由載流子吸收 導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級(jí)遷移到高能級(jí)，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。 （ 3）激子吸收 能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收 吸收光譜密集于本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。 （ 4）晶格吸收 半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)能，從而在遠(yuǎn)紅外區(qū)形成一個(gè)連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收主要是本征吸收。 載流子的輸運(yùn) 熱平衡時(shí)平均定向速度為零。 非平衡時(shí)載流子的運(yùn)動(dòng)形式主要有： 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 漂移運(yùn)動(dòng) 1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散電流 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要是少數(shù)載流子 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)示意圖 2）漂移運(yùn)動(dòng) 載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方 向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱為漂移。 漂移電流 漂移運(yùn)動(dòng)主要是多數(shù)載流子 ?輻射度量與光度量 ?半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) ?光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) ?光電檢測(cè)器件的特性參數(shù) 光與物質(zhì)作用 光電效應(yīng) 光熱效應(yīng) 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 熱釋電效應(yīng) 溫差電效應(yīng) 輻射熱計(jì)效應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng) 外光電效應(yīng)主要是光電發(fā)射效應(yīng)。指當(dāng)光 照射到物體上使物體向真空中發(fā)射電子 。 它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。 1）外光電效應(yīng)基本定律 （ 1）光電發(fā)射第一定律 —— 斯托列夫定律 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（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： 0FSI KK ?Ik： 光電流 Sk： 光強(qiáng) F0： 該陰極對(duì)入射光線的靈敏度 （ 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)度無關(guān)： AhhhmvE ????? ??? 02m a xm a x21Emax： 光電子的最大初動(dòng)能。 h： 普朗克常數(shù)。 v0： 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。 A： 金屬電子的逸出功，也稱功函數(shù)，單位 eV。 波長閾值 )(00 eVmAAhcc ???? ???光電發(fā)射效應(yīng)具有瞬時(shí)性。 延遲時(shí)間不超過 3x1013s，具有很高的頻率響應(yīng)。 2）光電發(fā)射的過程（三步） ① 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 受激電子向表面運(yùn)動(dòng)，與電子、晶格碰撞，損失部分能量。 ③ 達(dá)到表面的電子，若有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。 3）金屬的光電發(fā)射 逸出深度很淺 幾個(gè) nm 逸出功 3eV 可見光（ 410nm）能量小于 3eV，難以產(chǎn)生光電發(fā)射。 銫（ 2eV的逸出功）對(duì)可見光靈敏，但量子效率很低（ %） 4）半導(dǎo)體的光電發(fā)射 電子親和勢(shì)：真空能級(jí)與價(jià)帶能級(jí)之差。 材料本身、雜質(zhì)、表面對(duì)半導(dǎo)體能級(jí)影響都很大，一般 P型半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)較小。 實(shí)用光陰極幾乎全采用 P型半導(dǎo)體材料作為襯底，然后在它的表面涂上帶正電性的金屬或者 N型材料而制成。 光電導(dǎo)效應(yīng) 光照變化引起半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)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，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。 1873年發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)效應(yīng)。 分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)和非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 1)本征光電導(dǎo)效應(yīng) 當(dāng)光子能量 hvEg時(shí) ,可產(chǎn)生本征光電導(dǎo)。 )( eVmE g?? ??穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo) 暗態(tài)：半導(dǎo)體無光照時(shí) 亮態(tài) ：有光照時(shí) 暗電導(dǎo)、亮電導(dǎo)、暗電流、亮電流 光電
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