光电子复习参考第4章.ppt

1.光电探测器主要利用哪些物理效应？哪些属于外光电效应？哪些属于内光电效应？,4.1 光电探测器的物理效应 凡是把光辐射量转换为电量的光探测器，都称为光电探测器。光电转换的实现主要是利用物理效应：光子效应 光热效应 光电磁效应 在每一类中又分为若干细目，详细分类见讲义表4-1。,光子效应分类：外光电效应:光电发射效应 内光电效应:光电导效应，光伏效应，光电磁效应。,2.何为光子效应？其物理实质、特点及分类是什么？利用光子效应制作的探测器有哪些？,1 光子效应 定 义：单光子对产生的光电子起直接作用的光电效应。物理实质：光子直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子效应的特点：光子能量大小,直接影响内部电子状态改变的大小；光子能量为h，光子效应对光波频率表现出选择性；在光子直接与电子作用下，响应速度一般较快。,探测器见书106页表,光电管，光电倍增管，像增强管，光导管或光敏电阻，光电池，光电二极管，雪崩光电二极管，肖特基势垒光电二极管，光电磁探测器，光子牵引探测器,3.何为光电发射效应？其数学表达式及物理意义是什么？光电发射效应产生的条件是什么？利用光电发射效应制作的探测器有哪些？,（1）光电发射效应（外光电效应）定义：在光照下，物体向表面的外空间发射电子（光 电子）的现象称为光电发射效应。数字表达式：著名爱因斯坦方程描述了光电发射效应.或 其中：电子离开发射体表面时的动能，m：电子质量，：电子离开时的速度，：光子能量，：光电发射体的功函数（逸出功），从材料表面 逸出时所需的最低能量。,爱因斯坦方程的物理意义：如果发射体内的电子吸收的光子能量大于 发射体功函数的值，电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。,光电子发射效应产生的条件 式中:表示电子逸出表面的速度大于零;=:表示电子以零速度逸出，即静止在发射 表面上；：产生光电发射的入射光波的截止频率。如用波长表示，则为：,因为：，-产生光电发射的入射光截止波长（普朗克常数）所以：可见：小的发射体，需要 大的光辐射产生光电发射；大的发射体，需要 小的光辐射产生光电发射。,探测器：光电管,4.何为光电导效应？利用光电导效应制作的探测器有哪些？,（2）内光电效应 当光照射物体时，光电子不逸出体外的光电效应 光电导效应 光电导效应只发生在半导体材料中，金属没有光电导效应。*金属导电：由于金属原子形成晶体时，产生大量的自由电子，自由电子的浓度 n=常数，不受外界因素影响。*半 导 体：在 0oK 温度时，导电载流子浓度=0；在 0oK 温度时，由于热激发产生载流子（电子、空穴），在扩散过程中又受到复合作用而消失。,在热平衡条件下，单位时间内：热生载流子产生数目=因复合而消失的数目 因此，在热平衡下，导带和价带维持着一定数目的电子和空 穴浓度，它们的平均寿命分别表示为：和。在外电场 E 作用下，载流子产生漂移运动，载流子的迁移 速率定义如下：式中：V-外加电压；L-半导体的长度；-漂移速度。,因为载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述，所以：定义半导体的电导率：半导体的截面积是A，则其电导G（热平衡暗电导）为：所以半导体的暗电阻为：若入射光波长满足如下条件：本征半导体 掺杂半导体,则光子在半导体中激发出新的载流子(电子和空穴).即在原来热平衡载流子浓度值上，增加了n、p,称其为非平衡载流子，亦称为光生载流子。显然，在无光照射时，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，其表 达式为：光照射后，产生光生载流子，则光照稳定情况下的 电导率为：,光电导率为：光电导则为：上式也可变为：N型杂质 P 型杂质,对本征情况，如果：式中：N-光辐射每秒钟产生的电子-空穴对数目，AL-半导体体积，-电子和空穴的平均寿命。所以，本征光电导为：其中：eN-光辐射每秒钟激发的电荷量 由于光电导的增益G，使外回路产生电流增益i：式中V是外电压。,从上式可见，电流增量i并不等于每秒钟激光发射的电荷量eN，于是定义：M-光电导体的电流增益。对n型半导体：电子在外电场作用下，渡越半导体长度 L 所 花费的时间，称为渡越时间。当 时，M 1，就有电流增益效果。,探测器：光导管或光敏电阻,5.何为光伏效应（结合pn结图示说明）？请画图说明短路光电流是如何产生的？并推导出其数学表达式。,光伏效应 光电导效应是半导体材料的体效应，光伏效应则是半导体材料的“结”效应。实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子空穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。由于所用材料不同，内部电势垒可以是：半导体p-n结势垒，金属与半导体接触的肖特基势垒，以及异质结势垒等等。本节主要讨论 p-n 结的光伏效应的原理。,p-n结的特性*在零偏状态下 n 型材料中，p型材料中，；在 p-n 结处，空穴向 n 区、电子向 p 区扩散运动；p 区留下带负电的电离受主，n 区留下带正电的电离施主；正负粒子在结区附近形成空间电荷区，称为耗尽区；区内存在一电场为内建电建，方向由 n 到 p;在内建电场作用下,载流子出现漂移运动，电子由p到n区，空穴由n到p区;漂移运动方向与扩散运动方向相反，在结区建立了相对稳定的内建电场;此时没有静电流流过pn结。P-n结两端无电压，为零偏状态。,*在正偏状态下：由于耗尽区的电阻远比体电阻大，外加电压V几乎全部降落在耗尽层上，势垒高度降低到，空间电荷变窄。扩散与漂移的关系被破坏，扩散电流增加，外加电路中形成正向电流，能级图如图所示。,*在反偏状态下：当p-n结反向偏置时，施加的电压方向与自建电场的方向相同，势垒高度增加()，空间电荷区增宽。扩散与漂移的关系被破坏，漂移电流占主导地位，能级图如下所示。,*无光照的 PN 结伏安特性曲线：在无光照时，p-n 结的伏安特性为：式中：-暗电流，-反向饱和电流，u-结端偏置电压，e-电子电荷量，-波尔兹曼常数，T-绝对温度。,*光伏效应：在零偏时，若照射光的波长满足：-零偏时p-n结的自建电场强度 设：光由p区入射，在p区激发出电子空穴对。因光生空穴对 p 区空穴浓度影响小，光生电子对 p 区电子浓度的影响大，则从 p 区表面向 p 区内自然形成电子扩散趋势。,若 p 区的厚度小于电子的扩散长度，则大部分光生电子都能扩散进入 p-n 结。一旦电子进入 p-n 结，就立刻被内电场 扫向 n 区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离出来，空穴留在 p 区，电子通过扩散流向 n 区。此时，用电压表就能量出 p 区正，n 区负的开路电压。光照零偏 p-n 结产生开路电压的效应，称为光生伏特效应。,如果用理想电流表接通p-n结，则有电流通过，称为短路光电流：（p-n结的零偏电阻）如图所示为p-n结的 伏安特性曲线与光电二 极管的伏安特性曲线。由曲线可以看出：光照零偏p-n结，产生开路光电压(光电池工作原理)，光照反偏p-n结，有光电流(结型光电探测器工作原理),1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。假定：*光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。*内电场Ei的作用，电子向n区、空穴向P区漂移运动，*光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流，称为短路光电流。,6.请画出pn结光伏探测器的等效电路图，并写出光照下pn结的电流方程，画出其伏安特性曲线，并说明该曲线的特点，请说明利用光伏效应制作的探测器有哪些，分别工作在伏安特性曲线图中的那个区域？,4.5 光伏探测器 光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别：产生光电变换的部位不同 光电导探测器是均值型，光照任何部分电导都增大;光伏探测器是结型，只有结区附近光产生光伏效应.光电导探测器没有极性，工作必须外加偏压;光伏探测器有正负极，不需外电压也进行光电转换.,光电导探测器主要依赖于非平衡载流子的多子产生复 合运动，弛豫时间长，响应速度慢，频率响应性能较 差。光伏探测器主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂 移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应时间 特性好。相同点：都是利用内光电效应。,1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。假定：*光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。*内电场Ei的作用，电子向n区、空穴向P区漂移运动，*光伏探测器两端被短路，被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流，称为短路光电流。,就光电子形成的过程，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况，可以把光电导探测器光电转换关系式进行改写：改写后为：式中：，是光伏探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。除了Q 项外，光伏和光导的其它物理量都可以用一种形式描述。,一个光生电子-空穴对所贡献的总电荷量 Q 是多少？在耗尽区中 X 处产生的光生电子-空穴对，空穴向左漂移 X 距离到达 p 区，电子向右漂移（L-X）距离到达 n 区。空穴和电子的漂 移时间分别为 tp 和 tn，则空穴和电子电 流脉冲的强度分别为 和。,则空穴和电所贡献的电荷量为：因此，一个电子一空穴对所贡献的总电荷量为：所以：这个结果表明，光伏探测器的内电流增益 Mn=1，这是和光电导探测器明显不同的地方。,2.光伏探测器的工作模式 两种工作模式：当光照射 p-n 结时：*入射光子能量大于材料禁带宽度；*在结区产生电子-空穴对；*非平衡载流子在内建电场的作用下,分别向 n 区和p 区运动，产生光生电压，*只要光照不停止，光生电压将永远存在，其大小与 p-n 结的性质及光照度有关。,结型光电器件在有光照条件下，可以使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实际证明：正偏置：单向导电性(普通二级管),无光电效应产生;零偏置：p-n结无外加电压，产生光伏效应，光伏工作模式；反偏置：无光照时，电阻很大，电流很小,有光照时，电阻变小，电流变大，流过的光电流随照度变化而变化，与光敏电阻一样，光电导工作模式。但二者的工作机理不同。因此，结型光电器件可选用两种工作模式：零偏置 反偏置,光照下p-n结的电流方程：光照射p-n结时，在p-n结内出现方向相反的电流，分别是：光激发产生电子-空穴对，在内建电场作用下，形成光生电 流，大小与光照有关，方向与p-n结反向饱和电流相同；上述作用的结果，在n区聚集大量的电子而带负电，在 p 区 聚大量的空穴而带正电，在p区和n区之间产生了电 势，形成光生电动势，这 相当于，p-n 结上施加正 向偏置电压，从而产生正 向电流，其方向与 相反。,因此，一个p-n结光伏探测器就等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）的并联，其工作模式则由外偏压回路决定。光电池符号和等效电路如图所示，式中i 是流过探测器的总电流。已知：所以：,光伏探测器的伏安特性：上式中的i-u曲线，即光伏探测器的伏安特性曲线。,第一象限正偏电压状态 本来就很大，光电流不起作用，作为光电探 测器，在这一区域没有意义；第三象限为反偏状态 当p=0 时，称为暗电流，数值很小；当 p0 时，流过探测器的主要电流是光电流，为，这对应于光电导工作模式，称为光电二极 管，其外回路特性与光电导探测器相似。,第四象限为零偏状态 表现出明显的非线性。此时流过探测器的电流仍 为反向电流，而结电压为正。说明器件已成为电池向负载输出功率，所以称此 时的光伏探测器为光电池。结电压就是光生电压，是电流为零的开路电压，电压为零时的电流为短路电流。,7.由光伏探测器的I-V曲线，如何求出光电池的最佳负载电阻和最佳输出功率？,输出功率和最佳负载电阻 输出功率：在 0 RL 时，硅光电池就有电输出功率。根据等效电路图，就可以写出其输出功率一般表达式：输出电流为：所以：,最佳负载电阻 由上面的推导看出，与i有一定的关系，而i与 有关，当 RL 变化时：RL=-RL=0 时，则有:-,显然，只有在某一负载电阻下，才能有最大的电输出功率。设：当 时，特定照射功率条件下的最佳负载电阻。它也是入射光功率的函数，所以，定义光电池的转换效率：硅光电池的实际转换效率一般为10%15%,和 图解表示法：利用光电池的伏安特性曲线，可以十分直观地了解光电池的功率输出特性。如图所示：,OH：的负载线 H：负载线与一定光功率下的伏安特性曲线的交点 OH负载线的斜率：因为，所以 围成的矩形面积就是在特定光功率下、负载为 时的光电池的输出功率。当 RL 变化时，矩形面积亦变化，亦随之改变.,最佳负载电阻 Rm 的图解求法：当照射功率确定时，过开路电压 及短路 电流 作伏安特性曲线的切线，两切线相交 于Q 点,连接 OQ，与伏安特性曲线相交 m 点，则得 到：，对应有:,由图中看出：围成的矩形面积最大;在I区，当RL 减小时,输出电压大幅度变 化，输出电流变化不大;在区，当RL 增大时,输出电流大幅度变 化，输出电压变化不大;所以，在实际应用中，可根据需要确定 RL 值。,8.硅光电二级管 与光电池有哪些异同点？画出硅光电二极管光电变换的伏安特性曲线分析其有哪些特点，并有伏安特性曲线分析当Vb或RL不变时，其信号输出有哪些变化。,光电变换的伏安特性分析 光电二级管是一种以光导模式工作的光伏探测器，其工作区域的伏安特性曲线如图所示。为了符合人们通常的观察习惯，将 I 和 V 方向倒转，变成以第一象限的位置表示第三象限的伏安特性，如图所示。,其特点是：*一组以输入光功率为参量的曲线族；*电压较小时曲线呈弯曲状，随着电压的增大曲线逐渐 平直，中间有一转折点 M，其所对应的电压称拐点电 压，用VM 表示;*当电压高于拐点电压时（VVM），各曲线间逐渐近似 平行，此区域称为恒流区。即随着工作电压的改变，光电流几乎不变。光电流只随入射光通量的增大而增 加。因此，硅光二极管的输出电流由输入光功率控制。,图解分析法确定参数 图中给出了反偏电压下硅光电二极管的基本电路。其中：Vb反向电压,Vo负载两端的输出电压，RL负载电阻,I 流过负载的电流，与输入光功率有关。光电二极管两端电压为：V(I)=Vb IRL,*I-V 图上负载线：Vb-Vb/RL 直线，斜率*若光功率为Po，则交点 Q 为输入电路的静态工作点；*当输入光由 Po 改变为 时，在 RL 上会产生 的电压信号输出,以及 的电流信号输出。,通过图解法可以很清楚地分析电路参数 RL 和 Vb 对输出信号的影响。例如,（a)当Vb不变时，光功率变化：*RL-越小，输出信号的电流变化大，电压变化小。但是，受到器件允许的最大工作电流和功耗的限制。*RL-变大时，输出信号电压提高了。但是，过大的 RL 会使负载线越过拐点 M 进入非线 性区，使输出信号的波形发生畸变。要使输出信号电压最大、波形不发生畸变，其负载线必定通过拐点 M 和工作偏压 Vb 点的连线。,(b)当 RL 值相同时 RL 值相同时，负载线平行。当偏置电压 Vb 值增加，使输出信号电压的幅值增大，线性度得到改善。但是，电路的功耗随之增大，过大的偏压会引起硅光电二极管的反向击穿。在选择负载电阻 RL 和偏置电压Vb 的值时，应根据输入光功率的变 化范围和输出信号的幅 度要求决定。,9.简述光电转换定律，并说明探测器量子效率的物理意义是什么？,1 光电转换定律 光电探测器的任务就是完成光电转换；光辐射量-光电探测器-光电流量 P(t)i(t)P(t)-光通量(光功率),光子流，其最小单位光子 i(t)-光生电流，光生电荷的时变量，最小单位电荷 e 因此有：-光子数，E-光能量-电子数,-光生电荷时变量 上式中的所有的变量都应理解为统计平均量。,与 成正比，引入比例系数可写成等式：由此可得到：其中：D-探测器的光电转换因子。-探测器的量子效率，（单位时间内一个光子激发的电子数）它是探测器物理性质的函数。利用上面的关系有：,这就是基本的光电转换定律，它表明：光电探测器对入射功率的响应为光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。因为光功率 p 正比于光电场的平方，故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。,5 量子效率 灵敏度 R 从宏观角度描述光电探测器的光电、光谱及频率特性 量子效率则是对同一个问题的微观与宏观间的描述。因为：所以，所以，量子效率正比于灵敏度，反比于波长。,