1、光電技術(shù)第二講1物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律用透射法測定光通量的衰減時,得到以下結(jié)論:光能量變化與入射的光通量及路程的乘積成正比. 稱為吸收系數(shù).利用邊界條件解上面的微分方程,得到當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時,透過的能量衰減到原能量的 時所通過的路程的倒數(shù)等于物質(zhì)的吸收系數(shù).2半導(dǎo)體對光吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、激子吸收、自由載 流子吸收和晶格吸收3本征吸收不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價帶中，導(dǎo)帶中的電子數(shù)很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時，原子外層價電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運動的自由電子，同時在價帶中留一個自由空穴，即產(chǎn)生電子-空穴對。半導(dǎo)體價帶電子吸收

2、光子能量遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。本征吸收產(chǎn)生的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，這樣才能使價帶上的電子吸收足夠能量躍入導(dǎo)帶低能級之上，4發(fā)生本征吸收的光波長波限為：只有波長小于長波限的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。5雜質(zhì)吸收 N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量，若光子能量大于施主電離能，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。 P型半導(dǎo)體中價帶上的電子吸收大于受主電離能的光子能量后，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。 雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)

3、生電離的過程稱為吸收。雜質(zhì)吸收的長波限為：6由于禁帶寬度大于施主或受主電離能，雜質(zhì)吸收的長波限總要長于本征吸收的長波限，雜質(zhì)吸收會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，會引起光電效應(yīng)。7激子吸收當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量小于禁帶寬度，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量小于雜質(zhì)電離能時，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象，稱為激子吸收。激子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。8自由載流子吸收對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大增強(qiáng)。

4、這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。晶格吸收晶格原子對遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收，直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝觿幽艿脑黾?，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。9這五種吸收，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動的速度加快，而不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。10光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩種。被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。被

5、光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是半導(dǎo)體光電器件的核心技術(shù)，外光電效應(yīng)是真空光電倍增管、攝像管、變像管和像增強(qiáng)器的核心技術(shù)。光電效應(yīng)11內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：本征光電導(dǎo)效應(yīng)和雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng) 本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶,產(chǎn)生本征吸收,導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子,價帶中產(chǎn)生光生自由空穴.從而導(dǎo)致半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化. 這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng).12在弱輻射作用下：半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量成線性關(guān)系.弱輻射條件下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度:lbd13強(qiáng)輻射作用下:半導(dǎo)

6、體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度:14 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)與入射輻射通量關(guān)系: 在弱輻射條件下,光電導(dǎo)與入射輻射通量成線性關(guān)系;隨著輻射的增強(qiáng),線性關(guān)系變壞,當(dāng)輻射很強(qiáng)時,關(guān)系曲線變?yōu)閽佄锞€.15光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng).當(dāng)射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時,價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場作用下分開,并分別向兩個方向運動,形成光生伏特電壓或光生電流.入射輻射P內(nèi)建電場+-電子N空穴光生伏特效應(yīng)16當(dāng)將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL,入射輻射通量如為 ,則有電流通過負(fù)載,在負(fù)責(zé)兩端產(chǎn)生壓降U,流過負(fù)載電流

7、為:把PN結(jié)短路,得到的短路電流即為光生電流開路電壓:17在圖像傳感器中常用具有光生伏特效應(yīng)的光電二極管作為像敏單元,此時的光電二極管采用反向偏置,此時光電二極管的電流為:一般暗電流遠(yuǎn)小于光電流,因此常將其略去.則光電二極管的電流與入射輻射成線關(guān)系.18丹倍效應(yīng)(Dember) 光生載流子擴(kuò)散運動產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象 半導(dǎo)體材料一部分被遮擋,一部分接受光照.受光面產(chǎn)生光生電子和空穴濃度大于小遮光區(qū),載流子濃度差引起載流子向遮光區(qū)的擴(kuò)散運動,電子的遷移率大于空穴遷移率.這樣在受光面積累空穴,而遮光區(qū)積累電子,產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象.這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生的伏特現(xiàn)象,稱為丹倍效應(yīng)。19N0p0分別為熱

8、平衡載流子濃度;n0半導(dǎo)體表面處的光生載流子的濃度,np分別為電子和空穴的遷移率.當(dāng)以適當(dāng)頻率的單色輻射照射到厚度為d的半導(dǎo)體樣品上時,如果材料的吸收系數(shù)大于1/d,則背光面相當(dāng)于遮光面,迎光面產(chǎn)生的載流子遠(yuǎn)比背光面高.在擴(kuò)散力的作用下,形成雙極性擴(kuò)散運動,結(jié)果半導(dǎo)體的迎光面帶正電,背光面帶負(fù)電.產(chǎn)生光生伏特現(xiàn)象.20光磁電效應(yīng)半導(dǎo)體上外加磁場,磁場的方向與光照方向垂直,當(dāng)半導(dǎo)體受光照產(chǎn)生丹倍效應(yīng)時,由于電子和空穴在磁場中的運動會受到洛倫茲力的作用,使它們的運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),空穴向半導(dǎo)體上方偏轉(zhuǎn),電子偏向下方.因此在垂直于光照方向和磁場方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓,稱為光磁電場.稱為半導(dǎo)

9、體的光磁電效應(yīng).21光電牽引效應(yīng)當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時,光子把動量傳遞給自由載流子,自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運動,結(jié)果,在開路的情況下,半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場,它阻止 載流子運動,稱為光子牽引效應(yīng).22利用光子牽引效應(yīng)可以檢測低頻大功率的CO2激光器輸出功率,CO2激光器輸出光的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過激光器鍺窗材料的本征吸收長波限,不可能產(chǎn)生光電子發(fā)射,但激光器鍺窗的兩端會產(chǎn)生伏特電壓,迎光面帶正電,出光面帶負(fù)電.室溫下,P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為23當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量,電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子,這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng).只

10、有光子能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值,才有電子飛出光電發(fā)射材料進(jìn)入真空.光電發(fā)射效應(yīng)24導(dǎo)帶禁帶價帶對于金屬材料有:對于半導(dǎo)體材料,導(dǎo)帶中的電子對于半導(dǎo)體材料,價帶中的電子對于半導(dǎo)體材料,光電發(fā)射長波限為:25光電發(fā)射器件具有不同于內(nèi)光電效應(yīng)的特點:1、光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能夠快速探測極其微弱的光信號，成為像增強(qiáng)器與變像器技術(shù)的基本單元。2、易制作大面積均勻的大面積光電發(fā)射器件，使其在光電成像器件方面有利于，一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器；3、光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使整個探測器體積龐大，功率損