光电检测器件工作原理及特性.ppt
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1、第2章 光电检测器件工作原理及特性,光的基本性质(复习)光度学与辐射度学(补充)半导体基础知识(补充)2.1 光电检测器件的物理基础 光电效应2.2 光电检测器件的特性参数,第 2 章 光电检测器件工作原理及特性,光的基本性质(复习),波动理论:光在传播时所表现出波动性,如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。惠更斯、杨氏和费涅耳等,特别是麦克斯韦(C.Maxwell)于1860年将光统一为电磁波的理论。,光具有波粒二象性,既是电磁波,又是光子流。,麦克斯韦(1831-1879),光量子说:光与物质作用时表现出粒子性,如光的发射、吸收、色散、散射。,1900年普朗克(Max.Planck)在研究黑
2、体辐射时,提出辐射的量子论;1905年,爱因斯坦(Albert.Einstein)在解释光电效应时,提出光量子的概念;,普朗克(1858-1947),爱因斯坦(1879-1955),光子能量公式:=h光子动量公式:p=h/c=h/式中,h为普郎克常数(6.62610-34Js);v为光的振动频率(s-1);c为光在真空中的传播速度(3108ms-1)。上面两公式等号左边表示光为微粒性质(光子能量与动量),等号右边表示光为波动性质(电磁波频率和波长)。光电转换一般使用固体材料,利用其量子效应。从固体能级来说,具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易,即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右
3、的紫外范围内进行高效率的能量转换。,电磁波按波长的分布及各波长区域的定义(称为电磁波谱)。电磁波谱的频率范围很宽,涵盖了由宇宙射线到无线电波(1021025Hz)的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分,它包括的波长区域从几纳米到几毫米,即10-910-3m的范围。在这个范围内,只有0.380.78m的光才能引起人眼的视觉感,故称这部分光为可见光。,光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)补充1,光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统,最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受,这是光电系统一个很重要的指标。
4、光度学研究对可见光的能量的计算,它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应,基本都相同,只是单位不同。为了区别这两种量,规定用下标e和v表示。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,常用辐度量和光度量之间的对应关系,辐通量的光谱分布与接收器的光谱响应,辐射一般由各种波长组成,每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。,以光谱辐通量 e表示辐射通量按波长分布的特性;给定波长0处
5、极小波长间隔d内的辐通量de称为单色辐通量。,辐射体总辐射通量e,即辐射体的总辐射功率,又称为全色辐通量为:,许多接收器所能感受的波长是有选择性的,接收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度)称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力,光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比,即 K()=v/e 由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm,该波长称为峰值波长)的辐射下,K()最大,记以Km,Km=683 lmW-1。对于某给定波长下的Km,定义光谱光视效率V()为 V()=K()/Km V()又称为视见函数。根据对许多
6、正常人眼的研究,可统计出各种波长的平均相对灵敏度。列于下表:,光视效率 V()是用来表示人眼对各种波长光 的相对灵敏度的物理量。,白天:555nm 夜晚:507nm V()=1,光谱光视效率,由此,定义光的基本量光通量 光通量是光源在单位时间内发出的光量,光通量符号为,单位为流明(lm)。根据光辐射通量(),由下式可确定光通量:式中V()为光谱光视光效函数,Km为辐射的光谱光视效能的最大值,其值为683 lm/W(m=555nm)。,1 W=683 V()lm,光通量的SI单位为流明(lumen,记做lm)。而辐射通量的单位则为W(瓦),二者的关系为:,对于555nm的单色光,则有1 W=68
7、3 lm即是说,其辐射通量为1W时,其光通量为683 lm。,光度量的最基本单位,1979年10月第16届国际计量大会定义:一个光源发出频率为540 X 1012Hz的单色光(相当一波长为555nm的人眼视觉灵敏的黄绿光),在一定方向的辐射强度为1/683 W/sr,则此光源在该方向上的发光强度为1cd。单位:坎德拉(Candela)cd,它是国际单位制中七个基本单位之一。1坎德拉的点状光源所发出的总光通量为4流明。一支普通蜡烛的发光强度约为1cd。中国大陆的早些时候,把每1瓦的白炽灯的发光强度称之为一支烛光,如25瓦的就称之为25支烛光。其原因是一只220V/100W的白炽灯发出的光通量约等
8、于400流明。换算下来每1W的发光强度差不多就是1cd。,部分典型环境中国家标准照度值,光度学中的基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射,并且认为辐射的传播服从几何光学定律。1、距离平方反比法则和照度的余弦法则:点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐射(发光)强度I成正比,与点源和面元之间距离d 的平方成反比,与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比(见下图)。E=I*cos/d2,图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则,2、叠加原理:若干辐射(光)源在一面元上建立的照度等于各辐射(光)源单独建立的照度之和。3、均匀漫射面及其特性(朗伯定律):
9、均匀漫射面(包括漫反射、漫透射及自身发光的漫射面)在任何方向都具有相等的亮度,因而在与面的法线成角的方向上的辐射强度或发光强度I=I0 cos,I0为漫射面在法线方向的辐射强度或发光强度。4、阿贝定律(亮度不变性原理):若忽略光束在传输过程中的反射和吸收损失,光源的亮度正比于测量点所处介质折射率的平方,即L=K*n2。若测量点与光源处于相同的介质中,则光束的亮度不变。,半导体物理基础 补充2,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。1914年,夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换的能量,直接证明
10、了原子内部量子化能级的存在。,补充2.1、能带理论,能级(Enegy Level):在孤立原子中,原子核外的电子按照一定的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子按能级分布。为简明起见,在表示能量高低的图上,用一条条高低不同的水平线表示电子的能级,此图称为电子能级图。,原子能级与晶体能带,电子共有化,能级扩展为能带示意图a)单个原子 b)N个原子,能带(Enegy Band):晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离很近,以硅为例,每立方厘米的体积内有51022个原子,原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使电
11、子不再局限于某个原子上,有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,这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异,与此相对应的能级扩展为能带。,能带(energy band),量子力学计算表明,晶体中若有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,在晶体中变成了N 条靠得很近的能级,称为能带。,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。,禁带(Forbidden Band):允许被电子占据的能带称为允许带,允许带之间的范围是不允许电子占
12、据的,此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带,每一个能级上都没有电子的能带称为空带。价带(Valence Band):原子中最外层的电子称为价电子,与价电子能级相对应的能带称为价带。导带(Conduction Band):价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec,价带的顶能级表示为Ev,Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。,导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动(形成电流)来实现的,这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子,半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的
13、材料,禁带宽度不同,导带中电子的数目也不同,从而有不同的导电性。,绝缘体、半导体、金属的能带图a)绝缘体 b)半导体 c)金属原子,(1)半导体的禁带很窄,满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。,(3)金属导体没有禁带,可显示很强的导电性。,(2)绝缘体的禁带很宽,满带中的电子很难进入导带,导电性很差。,满带,导带,满带,导带,满带,导带,(1)半导体,禁带,禁带,(2)绝缘体,(3)金属,导体:通常指电阻率为10-610-3cm的物质。金属和合金一般都是导体,如铝、金、钨、铜、镍铬等。导带与价带有一定程度的重合(Eg=0),金属的价电子可以在金属中自由运动,所以导
14、电性好。绝缘体:通常电阻率 109 cm。如SiO2、SiON、Si3N4等。SiO2的Eg约为5.2eV。它们能带能隙很大,可达到9 eV,电子很难跳跃至导带,所以无法导电。,半导体:导电特性处于导体和绝缘体之间,能隙一般约为 1 3eV,只要给予适当条件的能量激发,或是改变其能隙之间距就能导电。导带中有一定数目的电子,从而有一定的导电性,如硅为1.12eV,锗为0.67eV,砷化镓为1.43eV,电阻率为10-3109cm。所以它们都是半导体。,补充2.2 本征半导体与杂质半导体,现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备,半导体材料大多为晶体(晶体中原子有序排列,非晶体中原子无序排列。
15、)晶体分为单晶与多晶:单晶在一块材料中,原子全部作有规则的周期排列。多晶只在很小范围内原子作有规则的排列,形成小晶粒,而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。,本征半导体:就是没有杂质和缺陷的半导体。结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。本征硅中,自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的,所以电子浓度n等于空穴浓度p,并称之为本征载流子浓度ni,ni随温度升高而增加,随禁带宽度的增加而减小,室温下硅的ni约为1010/cm3。杂质半导体:半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体,杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量(即掺杂)来控制半导体导电特性。,现代电
16、子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子数都是四个。把硅或锗材料拉制成单晶体时,原子组成金刚石晶体结构,每个原子周围有四个最邻近的原子,这四个原子处于正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,并形成稳定的共价键结构。共价键夹角:10928,它有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,导电能力很弱。,2.2.1 本征半导体,半导体在热激发下产生自由电子和空穴对称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,这种现象称为复合。本征半导体中自由电子与空穴的浓度相
17、等。对于硅材料,在300K下,空穴的浓度为1.41010CM-3。大约温度每升高,本征载流子浓度ni增加 1 倍。另外半导体载流子浓度还与光照等有关。,本征半导体中电流由两部分组成:1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,2.2.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是在半导体禁带内引入杂质能级,从价带到导带的跃迁能量大幅降低,载流子浓度大大增加。T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm3本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 依据杂
18、质不同可分为N 型半导体和P 型半导体两种。,本征半导体硅中掺入少量的 5 价元素磷、砷、锑等。原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有 5 个价电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子只受自身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子,而磷原子就成了不能移动带正电的离子。在N 型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。,1)N 型半导体,N型半导体(N Type semiconductor),+5,N型半导体:在四价原子硅(Si)晶体中掺入五价原子,例如磷(P)或砷(As),形成N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代,五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键,而多余
19、一个电子,此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多,容易被五价原子释放,游离跃迁到导带上形成自由电子。易释放电子的原子称为施主,施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中,较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。N型半导体由施主控制材料导电性。,在本征半导体硅中掺入少量的 3 价元素硼。原来晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引邻近的束缚电子来填补,相当于空穴电流向另一方向移动。硼原子为不能移动的带负电的离子。,2)P 型半导体,P型半导体(P type semi
20、conductor),P型半导体:在四价原子硅(Si)晶体中掺入三价原子,例如硼(B),形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代,硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键,形成八个电子的稳定结构,尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构,使硼原子外层多了一个电子变成负离子,而在硅晶体中出现空穴。容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA,也位于禁带中。在价带顶Ev附近,EA与Ev间能量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。,*杂质半导体中的载流子浓度,本征半导体中载流子由本征激发产生:ni=pi,掺杂半导体中(N or
21、 P)掺杂越多多子浓度少子浓度,杂质半导体载流子由两个过程产生:杂质电离多子 本征激发少子,由半导体理论可以证明,两种载流子的浓度满足以下关系:,1 热平衡条件:温度一定时,两种载流子浓度积之,等于本征浓度的平方。,N型半导体:若以nn表示电子(多子),pn表示空穴(少子)则有 nn.pn=ni2,P型半导体:pp表示空穴(多子),np表示电子浓度(少子)Pp.np=ni2,2 电中性条件:整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。,N型:No表示施主杂质浓度,则:nn=No+pn,P型:NA表示受主杂质浓度,Pp=NA+np,由于一般总有Nopn NAnp,掺杂对半导体导电性能的影响:半导体中不同
22、的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级,价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去,要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质,却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目,从而显著地影响半导体的电导率。,3)杂质半导体特性,无论是N型或P型半导体,从总体上仍然保持着电中性。1)掺杂特性:掺杂可明显改变半导体的电导率,对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺杂,可以形成各类晶体管,制造出各种不同的半导体器件。2)热敏特性:半导体受热时,其导电能力发生显著变化。利用它可制成热敏器件。3)光敏特性:光照可改变半导体的电导率。利用它可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器
23、 等。4)金属与掺杂半导体材料接触,形成肖特基二极管、金属-半导体场效应管、高电子迁移率晶体管等器件。,2.3 费米能级与热平衡态下的载流子,在一定温度下,若没有其他的外界作用,半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。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。在热激发同时,电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态,向晶格放出能量,这就是载流子的复合。在一定温度下,激发和复合两种过程形成平衡,称为热平衡状态,此时载流子浓度即为某一稳定值。热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关:一是在能带中能态(或能级)的分布,二是这些能态中每一
24、个能态可能被电子占据的概率。根据量子理论和泡利不相容原理,能态分布服从费米统计分布规律。,在某温度下热平衡态,能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出,即,费米-狄拉克函数曲线,f(E):费米分布函数,能量E的概率函数;k:波耳兹曼常数,1.3810-23J/K;T:绝对温度;EF:费米能级。,以EF来定性表示两能带中载流子的浓度a)重掺杂P型 b)轻掺杂P型 c)本征型 d)轻掺杂N型 e)重掺杂N型,EF 为表征电子占据某能级E的概率的“标尺”,它定性表示导带中电子或价带中空穴的多少。当E=EF 时,f(E)=1/2,它并不代表可为电子占据的真实能级,只是个参考能量。在量子统计
25、中EF 应视为固体中电子的化学势。常温下EF 随材料掺杂程度而变化。,半导体导电特性,掺入杂质则导电率增加几百万倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光敏特性,光敏器件,光电器件,物理性质:原子序数:14,相对原子量:28.09,有无定形和晶体两种同素异形体。晶体硅钢灰色,无定形硅黑色,密度密度2.33g/cm3,熔点1420,沸点2355,莫氏硬度为7。晶格常数0.543089nm,原子密度5.001022,共价半径:0.117nm。化学性质:硅在常温下不活泼。但可与氢氟酸及其混合酸反应,生成SiF4或H2SiF6。
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