光电器件基础 第四章 光电探测器件.pdf

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1、光电器件基础·第四章光电探测器件§4.1光电探测的物理效应§4.2光电探测方式§4.3光电探测器的性能指标§4.4光电导探测器件§4.5光伏探测器件要探知一个客观事物的存在及其特性，一般是通过测量被探测者所引起的某种效应来完成的。对于光辐射的探测也是如此。例如动物的眼睛是通过光辐射对眼睛产生的生物视觉效应来得知光辐射的存在及其特性的；照相底片是通过光辐射对胶片的化学效应来记录光辐射的。从这个意义上说，眼睛和胶片都可称为光探测器。在光电子技术领域，光探测器有它的特有含义：凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，都称为光探测器。不过从近代测量技术看，电学量的测量不仅最方便，

2、而且最精确，所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成电学量来实施测量。有时，即使直接转换量不是电学量（如温度、体积等），最终也往往转换成电学量的测量。凡是把光辐射量转换为电学量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。§4.1光电探测的物理效应光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。这里仅讨论光子效应。光子效应是指单个光子对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，将导致原子或分子内部的电子状态发生改变，并且光子能量大小将直接影响电子状态改变的情况。因为光子能量为hν，所以光子效应对光波频率表现出选择性。对于光子直接与电子相互作用的情况，其响应速度一般

3、较快。光子效应又分为外光电效应（即光电发射效应）和内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光伏效应。当光照射物体时，光电子逸出体外的光电效应称为外光电效应；光照射物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应。4.1.1光电发射效应在光照射下，物体向表面的外空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应，能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体。光电发射效应的能量关系由著名的爱因斯坦方程描述，即E=hν−E(4.1)Kϕ式中，EK表示电子离开发射体表面时的动能，hν是光子能量，Eφ是光电发射体的功函数（逸出功、脱出功）。上式表明，如果发射体内电子所吸收的光子能量hν大于发射体的

4、功函数Eφ，则电子就能从发射体表面逸出，并具有相应的动能。光电发射的条件为Eϕν≥=ν(4.2)Ch或者用波长表示为hcλ≤=λ(4.3)CEϕ60式中，等号表示电子刚好能逸出表面但速度为零，这时的νC和λC分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。波长的单位为μm或nm时，上式可表示为1.24λ(μm)=，(4.4)CEϕ1240λ(nm)=(4.5)CEϕ要使波长较长的光辐射产生光电发射效应，发射体的Eφ必须很小。入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大，照射时间有多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：①光射入到物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态

5、跃迁到激发态；②受激发电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发射碰撞而失去部分能量；③到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。由此得到光电子发射对阴极材料的要求：①对光的吸收要大，以便体内有较多的电子受激发射；②电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；③材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；④电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。4.1.2光电导效应光电导效应是光照引起半导体材料电导变化的现象。由半导体物理，在热平衡条件下，半导体材料的导带和价带中维持一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别为τn和τp，且满足2

6、np=n(4.6)i式中，ni是一定温度下半导体材料的本征载流子浓度。在外电场E的作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度v和电场E之比，定义为载流子的迁移率μ，有vvLnnμ==(4.7)nEVvvLppμ==(4.8)pEV式中，V是外加电压，L是电压方向上的半导体长度。半导体的电导率为σ=enμ+epμ(4.9)np如果半导体的截面积是A，则其电导（也称热平衡暗电导）为AG=σ(4.10)dL半导体的暗电阻为LLR==ρ(4.11)dσAA式中，ρ是半导体的电阻率。如图4.1所示，光波照射到外加电压的半导体上，则当光波长λ满足1.24λ(μm)≤λ=（本征）(4.12)CE(eV

7、)g611.24λ(μm)≤λ=（掺杂）(4.13)CE(eV)i时，入射光子将在其中激发出新的载流子（电子和空穴）。上式中，Eg是禁带宽度，Ei是杂质能级差值。由于光照而在半导体中产生的载流子，称为光生载流子。光生载流子的浓度为Δn和Δp，是非平衡载流子。光生载流子叠加在原来热平衡载流子浓度之上，此时半导图4.1半导体光电导效应体材料中总的载流子浓度分别为n=n0+Δn和p=p0+Δp，其中n0和p0是热平衡时的载流子浓度。因为光生载流子的存在，使半导体的电导增加了