第一章-光电信息技术物理基础-§1.1理论基础.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,能带,:,是描写固体中原子外层电子运动的一种图象。,（,1,）按照原子理论，原子中的电子只占据某些能级,（,2,）结晶格中，电子能在某些整个能带内运动，每一能带与能级相关联。,（,3,）泡利不相容原理限制了占某个能级的电子数，同样也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。,原子能级和结晶格能带之比较,1.1.1,能带理论,（,4,）导体内的能带,以金属钠,(Z=11),为例（如图）,1,s,2,s,2,p,3,s,钠,(1,s,2,2s,2,2p,6,3s,1,),晶体能带,满 带,半满带,空 带,3,p,与,1s,、,2s,和,2p,原子能级对应的能带,:,完全填满。,但,3s,能带,:,仅有一半被填充。在外界电场的作用下，获得额外的少许能量就可到能带内附近许多空的状态去,形成,电流。,结论：,良导体,(,也称金属,),是那些最高能带未被完全填满的固体。,例外,:,有一些物质，,最上面的满带和一个空带重叠,，也可成为导体；人们常称这些物质为,半金属,如镁,Z=12,）。,1,s,2,s,2,p,3,s,价,带,(,满,),导,带,(,空,),3,p,绝缘体能带,能,隙,较,大,（,5,）绝缘体能带,物质中的最高能带即价带是满的，而且与下一个全空的能带并且有较大能隙。,一个外加的电场无法使价带中的电子加速，因而不能产生净电流。所以这种物质称为,绝缘体,。,每掺入一个杂质原子，就有一个额外电子。这些,额外的电子,占有恰,在导带下方的某些分立的能级,。,这额外的电子容易被杂质原子释放出来并被激发至导带，对半导体的电导率有贡献。这种杂质原子，叫做施主；这种半导体叫做,n,型半导体。,n,型半导体杂质（施主）,（,c)p,型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的,3,价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成,P,型半导体。在这种情况下，,杂质引进空的分立能级，这些能级的位置很靠近价带顶,。,因此，容易把价带中一些具有较高能量的电子激发到杂质能级上。这个过程在价带中产生空穴。这种杂质原子叫做受主，这种半导体叫做,p,型半导体。,价带,(,满,),导带,(,空,),能隙较小,杂质能级,+,+,+,+,p,型半导体中的杂质（受主）,为了使半导体的电导率产生大的变化，对于每一百万个半导体原子，大约有一个杂质原子就足够了。,半导体,在工业上广泛地用于制作,整流器、调制器、探测器、光电管、晶体管和大规模集成电路,等等。,半导体的导电能力受光照、温度和掺杂的影响而发生显著的变化。,物体受到光照后向外发射电子的现象,。这种多发生于金属和金属氧化物。利用该效应的器件：,光电管、光电倍增管,等。几个主要基本定律和性质：,1,、,光电发射第一定律,在入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流,I,K,与被阴极所吸收的光通量,K,成正比。即,I,K,=S,K,K,式中,S,K,为表征光电发射灵敏度的系数。,这个关系式,是光电探测器进行光度测量、光电转换的依据,。,1.2,光电发射效应,2,、,光电发射第二定律,发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：,式中,h,为普朗克恒量；,v,为入射光频率；,m,e,为光电子的质量；,v,max,为出射光电子的最大速率；,O,为光电阴极的逸出功。,3,、光电发射第三定律,当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限,v,o,，就不会产生光电子发射。,红限为,:,v,o,=,o,/h,4,、光电发射的瞬时性,光电发射的延迟时间不超过,3 10,-13,s,的数量,.,可认为光电发射是无惯性的。,频率特性好。,光电发射不仅发生在物体的表面层,(,称为光电发射的,表面效应,),，一些灵敏度很高的阴极材料还深入到阴极材料的深层,(,称为光电发射的,体积效应,),R,L,A,D,4,D,3,D,2,D,1,K,R,5,R,4,R,3,R,2,R,1,+,-,(1),光电导效应：固体受光照而改变其电导率的现象。,半导体和绝缘体都有这种效应。,(2),电导率正比于,载流子浓度及其迁移率的乘积,。,(,迁移率：载流子的迁移速度与外电场的比值,)(3),光电导的长波限,入射光的光子能量要等于或大于相应的能隙,E(,禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离,),，也就是光电导有一个长波限,C,。,若,C,以,m,计，,E,以,eV,计，则,C,与,E,的关系为,C,=1.24/E,（,4,）光电导体的三个重要参数：,灵敏度,，,弛豫时间,和,光谱分布,1.3,光电导效应,一、光电导体的灵敏度,1),光电导灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱,用光电增益,G,来表示。,(2)G,的计算表达式,定义：,G,=,/,t,L,：（,1,）,式中,为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；,为光生载流子寿命；,t,L,为载流子在光电导两极间的渡越时间,t,L,=L/(,E),=,L,2,/(,U,),（,2,）,由（,1,）、（,2,）,式,得,:,G,=,U,/L,2,式中,L:,两极间距；,:,迁移率；,E:,两极间的电场强度；,U:,外加电压。,光电导体的灵敏度与,L,的平方成反比,为设计器件提供依据。,如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为,G=(,n,n,+,p,p,)U/l,2,式中,n,和,p,分别为自由电子和空穴的寿命；,n,和,p,分别为自由电子和空穴的迁移率。,二、光电导的弛豫,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定的时间的，同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失的，这些现象称为弛豫过程或惰性。,光电导,上升或下降的时间,就是弛豫时间，或称为,响应时间,。,光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否,有效工作,的问题，决定器件的,频率特性,。,从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。,分析定态光电导和光强之间的关系，讨论两种情况：,1,、直线性光电导的弛豫过程,（即光电导与光强呈线性关系）,增加的电子密度,n,（或空穴密度,p,）与光强,I,的关系表示为,n=I,在,定态,的情况下，产生率与复合率相等,光生载流子有确定的复合几率或寿命,，这时，对直线性光电导：,n/=I,n,式中,I,n,是以光子计算的入射光强（即单位时间内通过单位面积的光子数）；,为光电导体对光的吸收系数。,所以,恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程,初始条件,t=0,时，,n=0,，则方程的解为 取消光照后，光电导下降的微分方程为,光照刚停止时（,t=0,），,n,满足定态条件，,n=I,n,，则上式的解为,直线性光电导上升和下降曲线如图所示。,结论：在直线性光电导的弛豫中，光电流按指数规律上升和下降。在,t=,时，光电流上升到饱和值的（,1-1/e,），或下降到饱和值的,1/e,，上升和下降是对称的。因此定义,为光电流的弛豫时间,。显然，,直线性光电导的弛豫时间与光强无关。,直线性光电导上升和下降曲线图,2,、抛物线性光电导的弛豫过程,（,光电导与光强的平方根成正比）,对抛物线性光电导材料，,n,（或,p,）与光强,I,的关系为,同时，复合率与光生载流子密度的平方成正比，即 复合率,=b,（,n,）,2,式中,b,为比例系数，这时的定态条件为,所以，决定光电导上升的微分方程为,利用初始条件,t=0,时，,n=0,，可得上式的解为,光照取消后，决定光电导下降的微分方程为,利用初始条件,t=0,时，可得解为,曲线如下图所示。,可以看到，上升和下降都不对称，我们可以用,来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值的,tanh,1,=0.75,。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。显然，,光强愈高弛豫时间愈短。,抛物线性光电导的上升和下降的曲线,弛豫时间愈短，定态灵敏度愈低；弛豫时间愈长，定态灵敏度也愈高。要根据实际需要，折中地选取。,三、光电导的光谱分布,半导体的光电导与光照的波长有关，,故可用光电导来比较不同波长的光强。,1,、本征光电导的光谱分布,几种典型半导体本征光电导的光谱分布如下图所示,:,一些典型半导体本征光电导光谱分布曲线图,说明了不同波段的光波需要要不同的材料来响应。,（,1,）,长波限,:,光电导的数值降到最大值一半时所处的波长。,（,2,）在长波方向，光电导迅速下降原因：只有光子能量大于材料禁带宽度，才能激发电子,空穴对，引起本征光电导。,（,3,）在短波方向，由于波长短，样品对光的吸收系数大等原因,光生载流子只能发生在表面，大大降低量子产额。,2,、,杂质光电导的光谱分布,杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长？,（,1,）当光子能量大于等于杂质电离能时，,杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子。,（,2,）杂质的电离能小于禁带宽度。,另外，因杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。,掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线图,光电导在光子能量,0.7eV,附近陡起明显，表示本征光电导开始,。在本征光电导长波限左边,(,光子能量小于锗禁带宽度,),的某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子能量为杂质电离能。,入射光,应用电路示例,$1.4,光生伏特效应,光生伏特效应指的是由光照引起电动势的现象。,包括两种类型,:(1),发生在均匀半导体材料内部,(,丹倍效应,),；,(2),发生在半导体的界面。这里仅讨论后一类情况。,pn,结的空间电荷区的电场，称为自建电场。,光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下的运动，是形成光生伏特效应的原因。,由浓度差产生的运动,_,扩散运动,自建电场作用下的少子运动,_,漂移运动,自建,电场方向,:NP,当光照到,PN,结时，能量大于禁带宽度的光子，激发电子空穴对，分别被自建电场扫向,n,区与,p,区（形成,光致电流，,NP,），在,pn,结上形成电势差,(,产生光生电场，与自建电场相反,P N,），产生,正向电流,P N,。,当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候，便达到稳定情况，这时的电势差称为开路电压。,如果,pn,结两端用外电路连接起来，则有一股电流通过，在外电路负载电阻很低的情况，这股电流就等于,光致电流，称为短路电流。,在稳定条件下，,pn,结上的光电压与流经负载的光电流,I,的关系为,（注：二极管方程 ）,当,I=0,时，可以确定开路光电压,V,oc,为,式中为,I,sc,短路电流。,光生伏特效应的应用,:,(1),太阳电池,;(2),光电探测器件,。,$1.1.5,热释电效应,热释电效应：,某些晶体的电极化强度随温度变化而变化，从而在晶体特定方向上引起表面电荷变化的现象。,此效应只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体内正负电荷中心并不重合，有一定的电矩，其表面容易吸附自由电荷以抵消总电矩所产生的宏观电场。温度变化时，由于极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，从而表现出热释电效应。,具有热释电效应的晶体称为热电体。,当温度变化,T,时，极化强度的变化分量,:,（,i=x,，,y,，,z,）,式中,pi,称为热释电系数。,(a),、（,b),图：温度为,T1,、,T2,平衡态。晶体内所有偶极子取向相同，它们产生的极化强度,P,（,T1,）、,P,（,T2,）,.,自由电荷对面电荷的中和作用所需时间很长，大约数秒到数小时，而晶体的自发极化弛豫时间很短，约为,10,-12,S,因此当晶体表面按一定频率变化时自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，,晶体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化。,靠近居里点时铁电体的热释电系数会变得特别大。,热探测器的,电信号正比于其温度随时间的变化率,，响应速度比一般热探测器快。,热电体有重要和广泛的应用，如红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱反接收器等。,