探测器的基本原理.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,探测器的基本原理,优选探测器的基本原理,3.1,半导体基础,回忆,.,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一、半导体的结构,电子器件所用的半导体具有晶体结构，大多数是晶体材料。,晶体分为单晶和多晶。,单晶：在一块材料中原子全部按照有规则的周期性排列，这种晶体成为单晶。,多晶：只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开，这种材料称为多晶。,1,、电子的共有化运动,在孤立原子中电子遵守泡利不相容原理能量最低原理。,泡利不相容原理：原子中同一能级的核外电子轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是,n,2,个、每层最多容纳电子数是,2n,2,。,能量最低原理：核外电子总是先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。,在半导体中，原子之间距离很近，使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。以硅和锗的共价键结构为例：,电子共有化运动的过程,壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这样原子有可能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为电子的共有化运动。,共有化运动只能在原子中相似的壳层间进行,2,、能带结构,(energy band),量子力学计算表明，固体中若有,N,个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了,N,条靠得很近的能级,称为能带。,能带的宽度记作,E,，数量级,为,E,eV,。,若,N,10,23,则能带中两能级的,间距约,10,-23,eV,。,一般规律：,1.,越是外层电子，能带越宽，,E,越大。,2.,点阵间距越小，能带越宽，,E,越大。,3.,两个能带有可能重叠。,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,原子能级分裂成能带的示意图,1.,满带,：能带中各能级都被电子填满。,满带中的电子不能起导电作用,晶体加外电场时，电子只能在带内不同能级间交换，不能改变电子在能带中的总体分布。,满带中的电子由原占据的能级向带内任一能级转移时，必有电子沿相反方向转换，因此，不会产生定向电流，不能起导电作用。,2.,空带,：所有能级均未被电子填充的能带。,由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空着；,当有激发因素,(,热激发、光激发,),时，价带中的电子可被激发进入空带；,在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。,3.,导带,：被电子部分填充的能带。,在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，因而可形成电流。,价带,：价电子能级分裂后形成的能带。,有的晶体的价带是导带；,有的晶体的价带也可能是满带。,价电子：原子中最外层的电子。,4.,禁带,：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。,禁带的宽度对晶体的,导电性有重要的作用。,若上下能带重叠，其,间禁带就不存在。,满带,空带,禁带,E,允带：允许被电子占据的能带称为允带。,禁带：允带之间的范围是不允许电子占据的，这个范围称为禁带。,满带：被电子占满的允带称为满带。满带不导电。,价带：晶体最外层电子壳层分裂成的能带。,价电子：原子中最外层的电子。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度,T=0K,时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,（,1,）本征半导体,本征半导体,化学成分纯净的半导体晶体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到,99.9999999%,，常称为“九个,9”,。,这一现象称为,本征激发,，也称,热激发,。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为,空穴,。,可见本征激发同时产生电子空穴对。,外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象,复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温,300K,时：,电子空穴对的浓度,硅：,锗：,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,E,总电流,载流子,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：,温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,导带：比价带能量更高的允许带称为导带。,导带中的电子称为自由电子。,价带中出现电子的空穴称为自由空穴。,自由电子和自由空穴统称为载流子。,禁带宽度小者，电子容易跃迁到导带，所以导电性能高。,锗的禁带宽度比硅的小，所以其导电性随温度变化比硅更显著。,(2).,杂质半导体,.N,型半导体,四价的本征半导体,Si,、,G,等，掺入少量五价的杂质（,impurity,）元素（如,P,、,As,等）形成电子型半导体,称,n,型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处,E,D,10,-2,eV,，极易形成电子导电。,该能级称为施主（,donor,）能级。,n,型半导体,在,n,型半导体中：电子,多数载流子,导带,价带,施主能级,E,D,Eg,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,P,空穴,少数载流子,施主,(donor),能级,：这种杂质能级因靠近导带，杂质价电子极易向导带跃迁。因向导带供应自由电子，所以这种杂质能级称施主能级。,因搀杂,(,即使很少,),，会使导带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。,其导电机制：杂质中多余电子经激发后跃迁到导带而形成的。,2.,型半导体,四价的本征半导体,Si,、,Ge,等，掺入少量三价的杂质元素（如等）形成空穴型半导体，称,p,型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠价带处，,E,D,10,-2,eV,，极易产生空穴导电。,该能级称受主（,acceptor,）能级。,导带,E,a,价带,受主能级,P,型半导体,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,+,B,E,g,在,p,型半导体中：空穴,多数载流子,电子,少数载流子,这种杂质的能级紧靠价带顶处，,E,A10,-1,eV,，价带中的电子极易跃入此杂质能级，使价带中产生空穴。这种杂质能级因接受电子而称,受主,(acceptor),能级,。,这种搀杂使价带中的空穴的浓度较纯净半导体的空穴的浓度增加了很多倍，从而使半导体的导电性能增强。这种杂质半导体称空穴型半导体，或,p,型半导体。,导电机制：主要是由价带中空穴的运动形成的。,杂质半导体的示意图,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,多子,电子,少子,空穴,P,型半导体,多子,空穴,少子,电子,少子浓度,与温度有关,多子浓度,与温度无关,二、热平衡条件下的载流子的浓度,载流子浓度：是指单位体积内的载流子数。,激发：电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。,复合：在热激发的同时也有电子从导带跃迁到价带并向晶格放出能量，这就是电子空穴的复合。,在一定温度下激发和复合形成平衡，我们称为热平衡。,若E=EF,则f(E)=1/2,故在绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子互相作用，致使电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。,因搀杂(即使很少)，会使导带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍，从而大大增强了半导体的导电性能。,当波长进一步减小时，吸收系数进一步增加，光子能量增大，激发的光生载流子大部分靠近材料表面附近，表面处的载流子复合率增加，光生载流子寿命减低，量子效率也随之下降。,弱n型，导带及价带电子更多了，能带被填充水平也更高，EF升到禁带中线以上，到强n型，能带被电子填充水平最高，EF也最高。,电子空穴的移动使p区的电势高于n区的电势，相当于pn结上加了正向偏置。,本征半导体的共价键结构,非本征型：若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材料得电导率，即非本征光电导效应。,N(E)为在电子能量E处的能级密度。,光电发射逸出功W光：在绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量,施加电压的方向和内建电场的方向相同，使势垒的高度增加，空间电荷区加宽。,当材料得局部位置收到光照，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置得载流子浓度就比平均浓度高。,在一定温度T下，产生过程与复合过程之间处于动态的平衡，这种状态就叫热平衡状态。,在热平衡态下，半导体是电中性的：n0=p0,1,、能级密度,指在导带和价带内单位体积，单位能量能级数目，用,N(E),表示。,导带内的能级密度：,价带内的能级密度：,N(E),为在电子能量,E,处的能级密度。,h,为普朗克常数。,2,、费米能级电子占据率,电子遵循费米,-,狄拉克（,Fermi-Dirac,）统计分布规律。能量为,E,的一个独立的电子态被一个电子占据的几率为,E,F,称为费米能级或费米能量，它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。,E,F,是一个很重要的物理参数，只要知道了,E,F,的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定。,费米分布函数的特性,当,T=0K,时：,若,E,E,F,则,f(E)=0,即在绝对零度时，能量比费米能量小的量子态,被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上都有电子；而能量比,EF,大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。故在绝对零度时，费米能级,EF,可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,当,T0K,时：,若,E1/2,若,E=E,F,则,f(E)=1/2,若,EE,F,则,f(E)1/2,上述结果说明：,当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。而当量子态的能量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的几率是百分之五十。,E,F,的意义,:,E,F,的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。即标志了电子填充能级的水平。,E,F,越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据。,在强,p,型中，导带中电子最少，价带中电子也最少，所以可以说，强,p,型半导体中，电子填充能带的水平最低，,E,F,也最低。弱,p,型中，导带和价带电子稍多，能带被电子填充的水平也稍高，所以,E,F,也升高了。无掺杂，导带和价带中载流子数一样多，费米能级在禁带中线附近。弱,n,型，导带及价带电子更多了，能带被填充水平也更高，,E,F,升到禁带中线以上，到强,n,型，能带被电子填充水平最高，,E,F,也最高。,E,C,E,i,E,v,强,p,型,弱,p,型,本征型,强,n,型,弱,n,型,在价带中，知道了电子的占据概率，可求出空穴的占据概率，也就是不被电子占据的概率：,在导带中能级为,E,的电子浓度等于,E,处的能级密度和可被电子占据的概率的乘积：,3,、平衡载流子浓度,在一定温度,T,下，产生过程与复合过程之间处于动态的平衡，这种状态就叫,热平衡状态。,处于热平衡状态的载流子,n,和,p,称为,热平衡载流子,。它们保持着一定的数值。,在整个导带中总的电子浓度是在导带底,Ec,以上所有能量状态上的积分。积分结果为：,将,(3)(4),两式相乘得到,:,由此得到：,（,1,）在每种半导体中平衡载流子的电子数和空穴数乘积与费米能级无关,（,2,）禁带宽度,Eg,越小，乘积越大，导电性越好,（,3,）半导体中的载流子浓度随温度的增大而增大。,可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只决定于温度,T,，与所含杂质无关；而在一定温度下对不同的半导体材料，因禁带宽度不同而不同。,这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导体都普通适用，在讨论许多实际问题时常常引用。,还说明，对一定的半导体材料，在一定的温度下，,np,的乘积是一定的。换言之，当半导体处于热平衡状态时，载流子浓度的乘积保持恒定，如果电子浓度增大，空穴浓,度就要减小；反之亦然。,可见，电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。,(2)这些被激电子在向表面运动的过程中受到散射而损失掉一部分能量；,在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度矢量为：,总电流密度为两者之和。,N型半导体的费米能级：,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；,两个能带有可能重叠。,EF的位置比较直观地反映了电子占据电子态的情况。,EF越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子占据。,5、掺杂半导体的载流子浓度：,ni（Si）1.,（3）信号放大及处理电路噪声,原子能级分裂成能带的示意图,把扩散电流和漂移电流定义为结电流Ij。,（,1,）当材料一定时，,n,0,、,p,0,随,E,F,和,T,而变化；,（,2,）当温度,T,一定时，,n,0,p,0,仅仅与本征材料相关。,由下式可知,4,、本征半导体的载流子浓度本征半导体：,满足,n,0,=p,0,=ni,的半导体就是,本征半导体。,在室温（,RT=300K,）下：,ni,（,Ge,）,2.110,13,cm,-3,ni,（,Si,）,1.310,10,cm-,3,ni,（,GaAs,）,1.110,7,cm,-3,在热平衡态下，半导体是电中性的：,n,0,=p,0,即得到,：,Carriers Density of Intrinsic Semiconductors,由（,5,）式可以见到：,1,、温度一定时，,Eg,大的材料，,n,i,小；,2,、对同种材料，,n,i,随温度,T,按指数关系上升。,Carriers Density of Intrinsic Semiconductors,5,、掺杂半导体的载流子浓度：,N,型半导体，施主原子的多余价电子易进入导带，使导带中的自由电子数目增多高于本征半导体的电子浓度，则分别为：,Nd,为,n,型半导体中掺入的施主原子的浓度,N,型半导体的费米能级：,由上式可见，,n,型半导体中的费米能级位于禁带中央以上，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近导带底。,P,型半导体，受主原子易从价带中获得电子，价带中的自由电子浓度将高于本征半导体中的自由空穴浓度。设掺入的受主原子的浓度为,Na,，则,P,型半导体的费米能级：,由上式可见，,p,型半导体中的费米能级位于禁带中央以下，掺杂浓度愈高，费米能级离禁带中央越远，愈靠近价带顶。,三、半导体中的非平衡载流子,半导体器件通过外部注入载流子或用光激发方式而使载流子浓度超过热平衡时的浓度，这些超出部分的载流子通常称为非平衡载流子,或过剩载流子。,相应的：,n=n0+n,p=p0+p,且：,n=p,非平衡载流子：,n,和,p,（过剩载流子）,1,、材料的光吸收,（,1,）本征吸收,对于本征半导体在一定温度下载流子浓度达到平衡后，再受光照时，价带中的电子吸收光子能量而迁移到导带，在价带中留下空穴，这时电子空穴的浓度都增大，则这个过程我们称为本征吸收。,要发生本征吸收，光子能量必须大于材料禁带宽度，因此在长波方向存在一个界限：,（,2,）杂质吸收,掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁导带。同样中性受主的束缚空穴也可以吸收光子而跃迁到导带，这种吸收为杂质吸收。,施主释放束缚电子到导带，受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为电离能。杂质吸收光的长波限：,（,3,）其他吸收,其他还有自由载流子吸收，晶格吸收等，这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发发载流子浓度，,引起光电导现象主要是本征吸收杂质吸收。,2,、非平衡载流子浓度,光照射半导体材料时，在本征半导体中电子吸收能量大于禁带宽度的光子，并产生了电子空穴对即光生载流子。如果光照突然停止，光生载流子不再产生，而载流子浓度因复合而减小。,复合的种类：间接直接复合。,直接复合：晶格中运动的自由电子直接由导带回到价带与自由空穴复合。,间接复合：自由电子自由空穴通过禁带中的复合中心间接进行复合。,复合对光生载流子浓度的影响？,光生载流子的平均生存时间称为光生载流子的寿命。,半导体中，光生电子空穴对的直接复合率与载流子浓度成正比。,解得方程：,为光照刚停时得光生载流子浓度,，,为载流子浓度下降得衰减系数。,四、载流子得扩散与漂移,1,、扩散,当材料得局部位置收到光照，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置得载流子浓度就比平均浓度高。这时电子将从浓度高得点向浓度低得点运动，是自己在晶体中重新达到均匀分布，这种现象称为扩散。,单位面积得电流称为扩散电流，正比于光生载流子得浓度梯度。,2,、漂移,在外电场作用下，电子向正极方向运动，空穴向负极方向运动，这种运动称为漂移。,在电场中，漂移产生得电子（空穴）电流密度矢量为：,当扩散和漂移同时存在得时候总得电子电流密度矢量和空穴电流密度矢量分别为：,总电流密度为两者之和。,3.2,半导体的光电效应,光电效应的分类：,1,、内光电效应：,材料在吸收光子能量后，出现光生电子空穴，由此引起电导率变化和电流电压现象，称之为内光电效应。,内光电效应制成的器件有两大类：光电导和光生伏特效应的两大器件。含有光敏电阻，,SPRITE,探测器、光电池、光电二极管、三极管和场效应管等。,2,、外光电效应：,当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子互相作用，致使电子逸出表面，这种现象称为外光电效应。外光电效应制成的器件有：光电管，光电倍增管等。,一、光电导效应,当半导体材料受照时，由于对光子得吸收引起载流子浓度得增大，因而导致材料电导率增大，这种现象称为光电导效应。材料对光得吸收有本征型和非本征型两种。,本征型：光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中得电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率得增加，即本征型光电效应。,非本征型：若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或空穴，从而增加材料得电导率，即非本征光电导效应。,1,、光电流,材料样品两端涂有电极，加载一定得弱电场，在样品的垂直方向加上均匀的光照，入射功率为常数时，所得到的光电流为稳态光电流。,故在绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。,把扩散电流和漂移电流定义为结电流Ij。,间距约10-23eV。,当材料得局部位置收到光照，材料吸收光子产生载流子，在这局部位置得载流子浓度就比平均浓度高。,5、掺杂半导体的载流子浓度：,单位面积得电流称为扩散电流，正比于光生载流子得浓度梯度。,两个能带有可能重叠。,复合对光生载流子浓度的影响？,当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；,1、温度一定时，Eg大的材料，ni小；,在半导体中，原子之间距离很近，使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。,禁带宽度小者，电子容易跃迁到导带，所以导电性能高。,g为载流子产生率，为寿命。,非平衡载流子：n 和p（过剩载流子）,晶体分为单晶和多晶。,无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓度，因而样品具有一定的暗电导率。,样品在有光照的条件下，吸收光子产生光生载流子浓度用,n和,p表示。光照稳定的条件下的电导率为：,附加的电导率称之为光电导率，能够产生光电导效应的材料称为光电导材料。,令：,则：,b,为迁移比。,光电导灵敏度定义为单位入射光辐射功率所产生的光电导率。,光电导灵敏度表达式,可见，要制成光电导率高的器件，应该使,n,0,和,P,0,有较小数值，因此光电导器件一般是由高阻材料,(n,0,P,0,较小,),或者在低温下使用,(n,0,，,p,0,较少,),下面我们看一下光电流密度的求解：,首先：,g为载流子产生率，为寿命。,若入射光功率为,s，载流子产生率与光功率的关系：,2,、响应时间,（,1,）光电导驰豫过程,光电导材料从光照开始获得稳定的光电流学要一定的时间，当光照停止后光电流逐渐消失，这种现象称为光电导驰豫现象。,（,2,）上升响应时间,光生载流子浓度上升到稳态值的,63,所需的时间为光电探测器上升响应时间。此时光生载流子浓度：,（,3,）下降时间,光照停止以后光生载流子下降到稳定值的,37,时所需要的时间为下降时间。此时光生载流子浓度的变化为：,光电导材料在弱光照时，表现为线性光电导，即光电导与入射光功率成正比。,而在强光照时表现为抛物线光电导，即光电导与入射光功率的平方根成正比，定义其上升下降时间，相当于上升到稳态值的,76,，下降到稳态值的,50,。,影响光谱响应有两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的吸收系数和表面复合率。,响应有一峰值，而无论向长波或短波方向，响应都会降低。定性分析其原因：,在材料不同深度,x,处获得的光功率为,P,=P,0,(1-),。在较长波长上，材料吸收少，吸收系数很小，产生的电子浓度较少，复合率小,，一部分辐射会穿过材料，因此灵敏度低。,随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光电导率达到峰值。一般峰值靠近长波限，实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。,当波长进一步减小时，吸收系数进一步增加，光子能量增大，激发的光生载流子大部分靠近材料表面附近，表面处的载流子复合率增加，光生载流子寿命减低，量子效率也随之下降。灵敏度减小。,二、,p-n,结光伏效应,光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属,/,半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象,.,利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。,1,、半导体,pn,结,在,p,型半导体内部，空穴浓度高，费米能级位置相对较低。,在,n,型半导体内部，电子浓度高，费米能级位置相对较高。,平衡状态下费米能级,Ef,处在同一高度上。结区的内建电场使,p,区相对于,n,区具有负电位，使结区造成了能带弯曲，形成,p,n,结势垒，阻挡多数载流子运动。,2,、,p,n,结的电流电压特性,Pn,结的主要特性是整流效应，即单向导电性。,正向偏置：,p,区接正，,n,区接负。此时电流随电压的增大急剧上升,反向偏置：,n,区接正，,p,区接负。随着电压的增加，电流趋向饱和。,（,1,）正向偏置,pn,结的正向电流由,p,边界的电子扩散电流和,n,边界的空穴扩散电流组成。,（,2,）反相偏置,施加电压的方向和内建电场的方向相同，使势垒的高度增加，空间电荷区加宽。漂移电流占主要地位。,3,、,pn,结光伏效应,离,PN,结较近的由光产生的少数载流子，,N,区中的空穴，,P,区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向,N,区，空穴移向,P,区，,PN,结区的光生电子,-,空穴对被,PN,结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向,P,区，电子被移向,N,区，结果在,N,区将积累电子，,P,区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于是在,P,区和,N,区之间造成光生电势差；,如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。积累的光生载流子部分地补偿了平衡,PN,结的空间电荷，引起了,PN,结势垒高度降低。,电子空穴的移动使,p,区的电势高于,n,区的电势，相当于,pn,结上加了正向偏置。,PN,结中有三种电流：扩散电流、漂移电流、光生电流。光生电流与漂移电流方向相同，而扩散电流方向相反。把扩散电流和漂移电流定义为结电流,Ij,。,结电流,=,扩散电流漂移电流。,外电路的电流：,若外电路短路，外电压为,0,，则短路电流,Isc,：,当开路时，外电路电流为,0,，开路电压,Voc,三、光电子发射效应,1,、光电发射定律,斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成份不变时，饱和光电流,(,即单位时间内发射的光电子数目,),与入射光的辐射通量成正比,e,电子电量；,光电激发出电子的量子效率；,P,辐射功率；,P,/,频率为,的总的光子数。,爱因斯坦定律：光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。,Em,光电子的最大动能；,与金属等材料有关的常数，实际上就是逸出功；,h,普朗克常数；,材料产生光电发射的极限频率,在,T,=0K,时，当光子能量，即时，光电子最大动能随光子能量增加而线性增加，在入射光频率低于或波长大于时，不论光照强度如何，以及照射时间多长，都不会有光电子产生。称为长波阈值或红阈波长。,当然，在常温下，在长波阈附近有一拖尾，但基本上认为满足爱因斯坦公式。,2,、金属的光电发射,金属的逸出功：克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用所做的功。,金属的光电发射的物理过程可概括为三步：,(1),金属吸收光子，体内的电子被激发到高能态；,(2),被激电子向表面运动，在运动过程中因碰撞而损失部分能量；,(3),到达表面的电子克服位垒而逸出。,半导体光电发射,半导体光电发射的量子效率远高于金属。而且探测响应宽，尤其在红外探测是有不可替代的地位，在红外探测、夜视、地物勘探等等方面具有越来越重要的作用。,对半导体光电发射的物理过程归纳为三步：,(1),半导体中的电子吸收入射光子的能量而被激发到高能态（导带）上；,(2),这些被激电子在向表面运动的过程中受到散射而损失掉一部分能量；,(3),到达表面的电子克服表面电子亲和势,EA,而逸出。,本征半导体的热电子发射逸出功,W,热,为真空能级,E,0,与费米能级,E,f,之差。,W,热,E0,Ef,1/2Eg,E,A,光电发射逸出功,W,光,：在绝对零度时光电子逸出表面所需的最低能量,W,光,Eg,E,A,对于大多数情况，能够有效吸收光子的电子高密度位置是在价带顶附近，半导体受光照后能量转换公式为,则电子吸收光子能量后只能克服禁带能级跃入导带，而没有足够能量克服电子亲和势而逸入真空。,只有当 ，则电子吸收光子能量后才能克服禁带跃入导带并逸出。,EA,+,Eg,称为光电发射的阈能量。,Eth,=,EA,+,Eg,，光子的最小能量必须大于光电发射阈值，这个最小能量对应的波长称为阈值波长,(,称或长波限,),。,3,、阈值波长,能够使电子逸出物质表面的光子最小能量称为阈值波长（长波限）。,3.3 探测器中的噪声,一、噪声的概念,探测器输出的光电信号并不平坦，而是在平均值上下随机的起伏，这种随机的瞬间的幅度不能预先知道的起伏称为噪声。,通常用均方噪声来表示噪声值的大小，噪声电流和噪声电压代表了单位电阻上所产生的功率，它是实际可测的，是确定的正值。,根据噪声的功率谱与频率的关系，分为两种噪声：,一是功率谱大小与频率无关的噪声，称为白噪声；,另一种噪声是功率谱与,1/f,成正比，称为,1/f,噪声。,二、一般光电测量系统的噪声可分为三类：,（,1,）光子噪声,信号辐射产生的噪声，背景辐射产生的噪声,（,2,）探测器噪声,热噪声，散粒噪声，产生复合噪声，,1/f,噪声，温度噪声,（,3,）信号放大及处理电路噪声,1,、热噪声,根源在于载流子的无规则热运动，因为任何导体或半导体的载流子在一定温度下都作无规则热动，所以它存在于任何导体或半导体中。,热噪声均方电流,热噪声均方电压,因为温度影响电子运动速度，所以热噪声与温度有关。热噪声的等效电路为：,2,、散粒噪声,犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏，每一瞬间到达值有多少，每一点有多少，这些散粒是完全独立的、随机的，由粒子随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声，如光辐射中光子到达的起伏、阴极发射的电子数、半导体中载流子数等。,3,、产生复合噪声,在平衡状态下载流子产生复合的平均数是一定的，期间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子的浓度的起伏引起样品的电导率起伏。,4,、,1/f,噪声,这种噪声的功率谱近似与频率成反比，故称,1/f,噪声，在半导体器件中这种噪声与器件表面状态有关，在半导体光电器件和晶体管中都存在。,5,、温度噪声,在热探测器中，不是由于辐射信号的变化，而是由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏称为温度噪声,。,一般情况下，在频率很低时，,1/f,噪声起主要作用，当频率达到中间频率范围内时，产生复合噪声较为显著，当频率较高时，只有白噪声占主要地位。,