光电器件基础 26节yua

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1、2.6光电效应当光照射到物体上，使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。光电效应可分为:内光电效应外光电效应物质被光照射后所产生的载流子仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。物质被光照射产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。2.6.1内光电效应1.光电导效应当半导体受到光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象称为光电导效应。光电导效应可分为本征光电导效应杂质光电导效应在光的作用下由本征吸收引起

2、的半导体电导率的变化现象。在光的作用下由杂质吸收引起的半导体电导率的变化现象。图2-12光电导体如果通量为Φe,λ的单色辐射入射到如图2-12所示的光电导体上，波长λ的单色辐射全部被吸收，则光敏层单位时间（每秒）所吸收的量子数密度Ne,λ为（2-73）光敏层每秒产生的电子数密度Ge为（2-74）式中η为半导体材料的量子效率。在热平衡状态下，半导体的热电子产生率Gt与热电子复合率rt相平衡。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率Gt与光电子产生率Ge之和（2-75）导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R为（2-76）式中，Kf为载流

3、子的复合几率，Δn为导带中的光生电子浓度，Δp为价带中的光生空穴浓度，ni与pi分别为热激发电子与空穴的浓度。热电子复合率rt与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度pi的乘积成正比。即（2-77）在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即（2-78）在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差。即（2-79）（1）在微弱辐射作用下，光生载流子浓度Δn远小于热激发电子浓度ni，光生空穴浓度Δp远小于热激发空穴的浓度pi，并考虑到本征吸收的特点：Δn=Δp，式（2-79）可简化为利用初始条件t=0时，Δn

4、=0，解微分方程得（2-80）式中τ=1/Kf(ni+pi)称为载流子的平均寿命。光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当t>>τ时，载流子浓度Δn达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态，有（2-81）光激发载流子引起半导体电导率的变化Δσ为（2-82）式中，μ为电子迁移率μn与空穴迁移率μp之和。半导体材料的光电导g为（2-83）将式（2-73）代入式（2-83）得到（2-84）在弱辐射作用下的半导体材料的光电导与入射辐射通量Φe,λ成线性关系。对式（2-84）求导可得由此可得半导体材料在弱辐射作用下的光电导灵敏度Sg（2-85

5、）在弱辐射作用下的半导体材料的光电导灵敏度为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间的长度l的平方成反比。（2）在强辐射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi，式（2-79）可以简化为利用初始条件t=0时，Δn=0，解微分方程得（2-86）式中，为强辐射作用下载流子的平均寿命。在强辐射情况下，半导体材料的光电导与入射辐射通量间的关系为（2-87）是抛物线关系。对式（2-87）进行微分得（2-88）在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关，而且与入射辐射量有关，是非线性的。半导体的光电导灵敏度与入射辐射通

6、量的关系为：在弱辐射作用的情况下是线性的；随着辐射的增强，线性关系变坏；当辐射很强时，变为抛物线关系。2.光生伏特效应光生伏特效应是把光能变成电能的一种效应。它是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。光生伏特效应可分为由内建电厂的作用或势垒效应产生的光生伏特效应体积光生伏特效应丹培（倍）效应光磁电效应图2-13半导体示PN结示意图图2-14PN结的能带结构当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ的辐射作用于PN结上，则有电流

7、I流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应为（2-89）式中，为光生电流，ID为暗电流。※IΦ的另一种定义：当U=0时的输出电流ISC即短路电流，并有（2-90）短路时，被内建电场分开的光生载流子沿外电路流动，不发生附加电荷的聚积且势垒高度不变，即光电压为零。这时得到最大的光电流，称为短路光电流。当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压UOC为（2-91）在开路的情况，所有被内建电场分开的光生载流子积聚于PN结，最大限度的补偿势垒，即建立起最高的光电压，这称为开路光电压。在外接一定电阻值的负载时

8、，被内建电场分开的光生载流子中一部分积聚于PN结补偿势垒使势垒降低，而另一部分载流子则流经外电路。3.丹培（Dember）效应图2-15光生载流子扩散运动当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载