3-2光电效应

null§3-2 半导体的光电效应 §3-2 半导体的光电效应 半导体的光电效应半导体的光电效应因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应 内电光效应: 光电导效应 光生伏特效应 外电光效应: 光电发射效应 光电导效应光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 主要有本征光电导与非本征光电导。 光电导效应光电导效应光电导现象——半导体材料的“体”效应本征半导体光电导过程 光电导效应 光电导效应 讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等null光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件： 是禁带宽度是杂质能带宽度null 光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量 这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生载流子。null下面讨论本征光电导                                                    本征半导体光电导效应图 null1．光电流 材料两端有电极，沿X方向加弱电场，沿Y方向有均匀光照，当入射光功率 Φe 为常数（或照度）时，所得光电流称为稳态光电流。 无光照时，材料有一暗电导，有光照时，产生光生载流子，在稳态情况，光生载流子不断产生和复合，半导体中光生载流子浓度是一常数null当入射光功率为为常数时：用来产生光电效应的光功率:产生非平衡载流子的光子数：产生非平衡载流子的浓度：在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在稳定时光生载流子的浓度为：其中g为载流子产生率：null那么它的短路光电流密度为：产生的短路光电流：null2．时间响应 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时间的。同样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。 显然，弛豫时间长---光电导反应慢---惯性大； 弛豫时间短---光电导反应快---惯性小。 在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况：直线性光电导的弛豫过程和抛物线性光电导的弛豫过程。这两种典型情况的△n（或△p）与光强的关系可示成： △n= I 式中为光电转换因子，一般指在某一光强范围内的值nullnull矩形脉冲光照弛豫过程图 探测器的输出上升达到稳定值的63％所需的时间或者下降到稳定值的37％所需的时间称为探测器的时间常数（  ）。光电导效应光电导效应频率响应：光电导频率特性null2）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) 在强光照射时表现为对抛物线性光电导，Δn（或Δp）与光强I的关系可表示为:强光照射时的时间响应 探测器的输出上升达到稳定值的63％所需的时间或者下降到稳定值的37％所需的时间称为探测器的时间常数（  ）。null2.光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系注意条件：null光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。 产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）null载流子的输运——扩散与漂移 半导体中非平衡载流子的运动有两种，即扩散运动和漂移运动。它们都是定向运动，分别与扩散电流和漂移电流相联系。 扩散运动是在载流子浓度不均匀的情况下而发生的从高浓度处向低浓度处的迁移运动。是载流子无规则热运动的结果，它不是由电场力的推动而产生的。对于杂质均匀分布的半导体，其平衡载流子的浓度分布也是均匀的，此时不会有平衡载流子的扩散，只考虑非平衡载流子扩散，对于杂质分布不均匀的半导体，要同时考虑平衡载流子和非平衡载流子的扩散。 载流子在电场的加速作用下，除热运动之外获得的附加运动称为漂移运动。null1．半导体P-N结 两种不同导电类型的半导体，在其交界处形成P-N结。在n型区中，电子浓度大而空穴浓度小，在p型区中，空穴大而电子浓度小，由于载流子浓度梯度的存在而产生扩散运动，空穴从p区→n区，电子从n区→p区，结果在n区边界留下带正电的电离施主，带正电，在p区边界留下带负电的电离受主，带负电，这个区域称耗尽区。由于两侧耗尽区所带电荷不同，在边界区域出现电场，它从n→p，使电荷产生漂移作用，阻止了电荷的进一步扩散，最后达到动态平衡。 null半导体的PN结P型N型P型N型能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级 能级是相对于电子来说的，在经过PN结时电场力做功， 电势能降低null平衡时，材料费米能级应相同，故电子在n区的能量比在p区低（同一能级中）。P-N结势垒高度与掺杂程度密切相关。取 是势垒高度，是势垒两侧电势差。 null在室温下，载流子浓度等于掺杂浓度：且 可求出：， null2．P-N结的电流电压特性 ①正向偏置 由于耗尽区的电阻远比体电阻大，外加电压几乎全部降落到耗尽层上，势垒高度降低到q(V0-V)，空间电荷区变窄，则漂移运动弱于扩散运动，多数载流子越过势垒，在外电路形成正向电流，由推导可知，正向电流为：随正向偏压的增加，正向电流密度成指数上升null②反向偏置在反偏下，势垒高度增加到q(V0+V)，空间电荷区变宽，漂移运动占主导地位，电流从n区流向p区，反向电流为：可见，随着V的增大，反向电流趋于饱和值J0 nullP-N结的导电特性P-N结光伏效应P-N结光伏效应null二、光照下的P-N结1. P-N结光电效应 当光照射P-N结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下运动； 在开路状态，最后在N区边界积累光生电子，P区积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即P区和N区之间产生了光生电压Voc+-Vocnull　　若P-N结电路接负载电阻RL，如图，有光照射时，则在P-N结内出现两种相反的电流： 光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同； 光生电流流过负载产生电压降，相当于在P-N结施加正向偏置电压，从而产生电流ID。2. 三种工作模式（1）零偏置的光伏工作模式null电子与空穴的这一流动，使P区电势高于平衡状态，相当于P-N结上加了正向偏压，这一正向偏压引起P-N结上的正向电流，其方向正好与光电流方向相反。所以，在光照下流过P-N结的总电流为：方向从P区→N区 null式中LW是横截面积，Ip是光电流，如入射光通量 ，则光电流是 ①外电路短路时，V =0，短路电流与入射光辐射通量成正比。 ②外电路开路时，I=0，开路电压与入射光辐射通量成对数关系。null（2）反向偏置的光电导工作模式=0无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。类似光电导器件。null（3）正向偏置的工作模式RLIpID正偏工作原理NPIL很大呈单向导电性，和普通二极管一样，光电效应无法体现。null第一象限：正向偏置工作模式，光电流不起作用，这一区域工作没有意义。 第三象限：反向偏置光电导工作模式， 第四象限：零偏压光伏工作模式。无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，产生光电流，方向与I0相反，因此曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照度的变化成正比。反向偏置光电导模式零偏置光伏模式正向偏置二极管模式null光导模式工作时：pn结加上一个反向电压，外加电压所建电场和pn结内建电场方向相同，使得光照产生的电子－空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。此外，反偏压可增加长波灵敏度及扩展线性区上限，但是反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声，低频时还有电流噪声，因而限制了探测能力的下限。此外暗电流受温度影响大。 光伏模式时：因是无偏压工作，暗电流产生的散粒噪声小，无低频噪声。无光照时仅有热噪声，故信噪比较高。在低频工作时具有优势。但截止频率较低，长波灵敏度略小一些。3. 光伏和光导工作模式比较null（一）光电发射原理（一）光电发射原理一、光电发射 （一）光电发射原理 金属或半导体在光的照射下吸收光子激 发出自由电子，当吸收的能量足以克服 原子核对电子的束缚时，电子就会脱离 原子核逸出物质的表面，这就是物质的 光电发射现象，也称为外光电效应。 它是真空光电器件光电阴极的物理基础。 （二）光电发射第一定律（二）光电发射第一定律1.光电发射第一定律——斯托列托夫定律： 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比： I：饱和光电流; ：光电发射灵敏度的数； ：入射辐射通量（二）光电发射第二定律（二）光电发射第二定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关： h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1） m—电子质量；v0—电子逸出速度。null表面势垒：金属表面形成的偶电层使表面电位突变。光电发射的基本过程光电发射的基本过程光电发射大致可分三个过程： 1) 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2) 受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3) 到达表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。null2．金属逸出功与半导体的发射阈值：电子溢出金属表面必须获得的最小能量：费米能量；原因：偶电层作用null对半导体，热电子发射逸出功为：， 称电子亲和势，而光电子发射阈值为null注意：在光电效应里面：包括内电光与外电光 效应，都存在着一个阀值波长问3．阈值波长§3-3 探测器中的噪声§3-3 探测器中的噪声 一、噪声的概念 主要分为:有形噪声和无形噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。 一、噪声的概念 null 当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形 。 降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清(图b)。 再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。null从上面讨论中，我们应该建立这样的观念： 上述现象并不是探测器不好所致。 它是探测器所固有的不可避免的现象。 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。 二、噪声的描述 二、噪声的描述 噪声电压随时间无规则起伏情况。 显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的来描述。 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。 null 我们这里讨论的是系统内部的物理过程所固有的、不可能人为地消除的随机起伏。由于噪声是在平均值附近的随机起伏，瞬时值不确定，长时间的平均值为零。所以，一般用均方值来表征其大小。null 亦可用噪声电压来表示，它们都是实际可测值。当光电探测器中存在着多个噪声源时，只要这些噪声源都是独立的，互不相关的，就可以将它们的噪声功率直接相加： 把噪声的均方值开方，就得到均方根值： 噪声电流 噪声电压 null三、光电探测器的噪声源 三、光电探测器的噪声源 光电探测器的噪声是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。 探测器的噪声分类探测器的噪声分类一般光电系统的噪声：null噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声），与频率有关的1/f 噪声光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f 噪声 信号放大及处理电路噪声 按噪声产生的原因，可分为以下几类 1.热噪声1.热噪声 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。null热噪声均方电压：热噪声均方电流： 热噪声均方功率： 其中： k——玻尔兹曼常数 T——绝对温度 Δf——通频带宽度 任一电阻在单位赫兹带宽内产生的热 噪声功率是常数（仅与温度有关）4kT。null有效噪声电压和电流分别为 一个电阻R在其噪声等效电路中，可以等效为电阻R与一个电压源Un的串联，也可以等效为电阻R与一个电流源In相并联，如图所示。 null2.散粒噪声： 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 热激发散粒方均噪声电流为 其有效值为 相应的噪声电压为 如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。 光电探测器是依靠内场把电子—空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器 null3.产生－复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生—复合散粒噪声，简称为产生—复合噪声，记为Ig-r和Vg-r即 M是光电导的内增益。4. 1/f 噪声4. 1/f 噪声 1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。 实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。 null1/f 噪声的经验规律为 ： 式中，Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数； α为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取2； β为与元件材料性质有关的系数，其值在0.8~1.3之间，大部分材料的β值取１； γ与元件阻值有关，一般在1.4～1.7之间。 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这种噪声就可以防止。5.　温度噪声 5.　温度噪声 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。 当材料的温度发生变化时，由于有温差ΔT的存在，因而引起材料有热流量的变化Δφ，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。 温度为T的物体的热流量噪声方均值为 A为传热面积；h为传热系数，其单位为[W/(m2K)]；k为玻耳兹曼常数；T为材料温度； Δf为通带宽度。null因器件温度起伏而引起的噪声，它对热敏器件在探测弱辐射信号时影响很大。它只存在于吸收光辐射能后，能引起材料温度升高的热探测器。 —器件热导；—热时间常数；—器件热容；—环境温度； null 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要区别在于： 对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流 ； 对于温度噪声，材料温度有变化ΔT，从而导致热流量的变化Δφ，此变化就表示了温度噪声的大小。null噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服等效噪声带宽等效噪声带宽ff AmN(f)A(f)若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率增益的最大值为Am,则噪声带宽为：说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。null因为： 在一般光电系统中，输出噪声受放大器带宽（f1、f2）限制，故上式积分上、下限可改为f1及f2。通常用低噪声放大器作为与光电探测器连接的第一级前置放大器，其基本要求是在信号频带范围内保证对信号进行有效放大的同时，尽量降低输出噪声功率。所以放大器的带宽应限制在能使信号的特征频谱分量通过即可。过宽的带宽不会增加有用的信息量，反则会降低输出量的信噪比。nullnull 光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征，我们需根据测量的要求反复比较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。 光电测量对测量器件的要求：光电测量对测量器件的要求：根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号,即探测器的响应率大小。 光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率一致。 探测器能探测的极限功率。 测量调制或脉冲光信号，探测器输出电信号是否能正确反映光信号的波形。 测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能线性响应。null 1．响应率（积分灵敏度）表征光电探测器探测灵敏度的参量，它说明了在确定的入射光信号下，探测器输出有用电信号的能力，定义为光电探测器输出的信号电压VS（电流IS）与入射光功率PS之比：称为电压响应率（电流）响应率。光电探测器中，辐射源采用2856K的A光源。热探测器中光源一般是500K的模拟黑体。或null2.光谱响应率随波长的变化关系称为探测器的光谱响应函数null 从响应度的定义来看，好象只要有信号辐射存在，不管它的功率多小，都可探测出来。但事实并非如此。由于噪声的存在，当信号很小时，将被噪声所淹没，无法将其测量出来。 信噪比（S/N），在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比，常用分贝表示。null3．等效噪声功率（NEP）： ①等效噪声功率：定义为S/N =1时，入射到探测器上的光辐射通量。 ②等效噪声电阻NEP=QE/S/N：把光电器件以至整个系统所产生的各种不同类型的噪声用一个简单的电阻所产生的热噪声来等效，这个电阻就称为等效噪声电阻： 若系统内阻Ri的热噪声占绝对优势，则等效噪声电阻可近似等于系统内阻。null ③噪声系数：噪声系数表示由于电路系统 的引入所引起的信噪比的恶化程度，它定义为 系统输入信噪比与输出信噪比的比值：有时用分贝为单位表示：一个良好的探测器， 。显然，NEP越小，噪声越小，器件性能越好。 3．探测率D与比探测率D*：只用NEP无法比较两个不同结构的光探测器的优劣，为此，常用探测率D与比探测率D*。 null它是单位通频带、单位光敏面积情况下的探测率。null4．响应时间 描述光电探测器的入射辐射响应快慢的参数。即当入射光辐射到探测器或遮断后，光电探测器在输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间，常用时间常数τ表示其大小。对于方波脉冲，把从上升到稳态值的63%峰值所需时间称上升时间，而从稳态值下降到0.37%峰值所需时间称下降时间。null 5．线性：描述光电探测器输出信号与 输入信号保持线性关系的程度的参量，它指 出了探测器输出的信号与输入的光信号通量之间保持线性的程度和范围。探测器线性的下限一般由器件的暗电流和噪声因素所决定，上限由饱和效应与过载所决定。光电探测器的线性区还与其工作状态有很大关系，如偏置电压、光信号调制频率、信号输出电路等。 null五、探测器的主要参数的测试 一般产品探测器产品说明书中给出的特性参数都是典型值，由于制造工艺的离散性，实际参数往往偏离典型值，所以在要求较高的场合，都需要对具体参数进行测试，以得出符合使用要求的优质器件，教材上给出了几种参数的典型测试方法。探测器主要参数的测试探测器主要参数的测试1. 光谱响应率函数的测试 探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数光源系统的构思，参考探测器的作用，标准探测器的作用null2. 光谱功率分布标准灯法用光谱功率分布已知的标准灯，标定照到被测探测器上的光谱辐射功率（通量），然后根据测出被测探测器的光谱响应率函数。null响应率的测试（积分灵敏度）探测器的响应率：电表示波器锁相探测器限光屏斩光器辐射源电机输出抗干扰方法: 调制500K的黑体模拟器探测器主要参数的测试探测器主要参数的测试线性的测试在上图中入射到探测器的辐射通量与距离的平方成反比，因此，可以通过改变距离的方式来改变辐射通量。 画出响应函数与距离平方倒数的关系曲线，即可求出探测器的线性范围。测试目的：使在探测器上得到从小到大的各种入射通量，从而使探测器产生相应数值的光电信号，以便确定探测器在各种光照下的线性特性。nullThe end of Chapter 3