第光电检测技术基础课件.ppt

1、济南大学物理科学与技术学院1第二章第二章 光电检测技术基础光电检测技术基础济南大学物理科学与技术学院22.1 光的基本性质光的基本性质2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量（雷（雷2.1）2.3 半导体基础知识半导体基础知识（雷（雷2.2）2.4 光电效应光电效应（雷（雷2.3）主要内容主要内容济南大学物理科学与技术学院32.1 2.1 光的基本性质光的基本性质牛顿牛顿微粒说微粒说l根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释l不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论波动理论l惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨

2、氏和费涅耳等l解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象l麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波济南大学物理科学与技术学院6光量子说光量子说l1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论量子论l1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光量子的概念l光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比l光具有波粒二象性光具有波粒二象性济南大学物理科学与技术学院72.2 辐射度和光度量的基本物理量 辐射是一种能的形式，它有电磁本质，又具有量子性质。辐射度量是用能量单位描述辐射能

3、的客观客观物理量。光度量是光辐射能为人眼人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量，即光度量是具有平均人眼视觉响应特性的人眼所接收到的辐射量的度量。因此，辐射度量和光度量都可定量地描述辐射能强度，但辐射度量是辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量；而光度量则还包括了生理学、心理学的概念在内。附：立体角知识：附：立体角知识：Pxyzo),(zyxMrzyxA思考：整个球面的立体角是多少？思考：整个球面的立体角是多少？辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳J辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦辐射强度e：点辐射

4、源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr dtdQeeddIee一一 光的辐射度量，下标光的辐射度量，下标“e”单位：瓦特单位：瓦特 球面度球面度-1（W sr-1）。）。 由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是 e，则该点辐射体在，则该点辐射体在各个方向的辐射强度各个方向的辐射强度Ie是常量，有是常量，有ddIee辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr4eeI济南大学物理科学与技术学院13辐射照度Ee

5、：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2 辐射出射度e ：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2dAdEeedAdMeedAdAcoscos2dSdddSdILeee辐射亮度e ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Sr式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度 米2光谱辐射通量光谱辐射通量（）：辐射通量的光谱密度，：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。即单位波长间隔内的辐射通量。二二 光谱辐射度量（辐射量的光谱密度），光谱辐射度量（辐射量的光谱密度），下标下标“”dde）（）（de0）（光谱辐射出射度光谱辐射出射度ddMMe）（）（

6、光谱辐照度光谱辐照度ddEEe）（）（ddIIe）（）（d（）dL（）Le光谱辐射强度光谱辐射强度光谱辐射亮度光谱辐射亮度济南大学物理科学与技术学院16基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/济南大学物理科学与技术学院17大量的光源是作为照明用途，照明光源的特性只用前面所述的一些能量参数来描述是

7、不够的，因为能量参数并没有考虑到人眼的作用。由于照明的效果最终是以人眼来评定，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述。三 光度量 下标为济南大学物理科学与技术学院18视见函数（光谱光视效率）V（）是CIE推荐的平均人眼光谱光视效率（或称视见函数），表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别。对于明视觉，对应为辐射通量e（555）与某波长能对平均人眼产生相同光视刺激的辐射通量e（）的比值。另一定义：在引起相同的视觉响应条件下，若光波长为的光所需要的光辐射功率为P()，而对光波长为555nm的光（人眼对此波长的光最敏感）所需要的光辐射功率为P(555)，则定义 V()=P(555

8、)/P() 为波长的视见函数 V()= e(555)/ e()光通量v：光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。单位：流明lm。nmnmememdKdVK780380)(）（）（Km是最大光谱光视效能（常数）是最大光谱光视效能（常数）,对于对于555nm的明视觉，的明视觉，Km=683lm/W.Km是最大光谱光视效能（常数）是最大光谱光视效能（常数）,对于对于555nm的明视觉，的明视觉，Km=683lm/W.光通量光通量光谱辐射通量光谱辐射通量发光强度Iv：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。该光源发出频率为540*1

9、012 Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W/Sr。光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒克斯lx（ lm/m2 ），相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。光出射度：lm/m2 ddIdAdEdAdMcosAddIL 光亮度：cd/m2，坎德拉每平方米济南大学物理科学与技术学院24光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。 济南大学物理科学与技术学院25晴天阳光直射地面照度约为100000

10、lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx济南大学物理科学与技术学院262.2 2.2 半导体基础知识半导体基础知识导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结金属与半导体接触济南大学物理科学与技术学院272.2.1 导体、半导体和绝缘体自然存在

11、的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。间的半导体。电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体电阻率电阻率1012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体济南大学物理科学与技术学院282.2.2 半导体的特性半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。导电

12、性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。如，纯净如，纯净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧欧姆姆厘米厘米)。掺杂物质不同，可得到不同导电类型的。掺杂物质不同，可得到不同导电类型的半导体。半导体。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。济南大学物理科学与技术学院29常见的半导体常见的半导体元素半导体：元素半导体：硅、锗、硒等；化合物半导体化合物半导体：砷化钾、硫化镉等；氧

13、化物半导体氧化物半导体：氧化亚铜等；有机半导体，玻璃半导体，稀土半导体，熔体半导有机半导体，玻璃半导体，稀土半导体，熔体半导体体可以制作热敏器件、光电器件、场效应器件等，以及可以制作热敏器件、光电器件、场效应器件等，以及各种二极管、三极管、集成电路等。各种二极管、三极管、集成电路等。济南大学物理科学与技术学院302.2.3 能带理论原子中电子三个特点：1.电子绕核运动，具有完全确定能量；2.由于微观粒子的波粒二象性，“轨道”指电子出现几率最大的区域；3.遵循泡利不相容原理；电子能级概念 能带理论（半导体物理的理论基础）济南大学物理科学与技术学院31晶体中电子的能带晶体中电子的能带 晶体晶体：原

14、子以一定周期重复排列所构成的物体。晶体中，原子相距很近，不同原子的电子轨道会发生交迭交迭，导致电子可以由一个原子转移到另一个原子上，成为整个晶体共有的电子，这叫做电子的共有化。电子的共有化。只有能量相同的量子态相同的量子态之间才会发生电子转移。电子共有化造成了电子能级不同程度的分裂，分裂后的能级相差很小，分布在一定区域；能带：能带：能量区域中密集的能级称为“能带能带”。济南大学物理科学与技术学院32能带中的能级相差很小，可以看作是连续的。济南大学物理科学与技术学院33价带：价带：共价键结合的晶体中，由于刚好填满相对应的能级，能量最高的价数填满的能带称为价带。价带。导带：导带：价带以上的能带都是

15、空带，能量最低的空带叫做导带。导带。禁带：禁带：价带和导带之间的区域。济南大学物理科学与技术学院34注意：注意：能带与原子能级的对应关系并不单纯，能带图并不实际存在。只是用来着重说明电子能量分布情况。济南大学物理科学与技术学院352.2.4 半导体的导电机制晶体中电子运动状态的改变、发生跃迁，一般需满足两个条件两个条件：1.具有能向电子提供能量的外界作用，2.电子要跃迁的那个能级是空的（泡利不相容原理）。导电类型：导带中电子导电价带中空穴导电济南大学物理科学与技术学院36导带电子导电：导带电子导电：导带中存在空能级，在外加电场影响下，导带中的电子跃迁到空能级中，产生定向移动的电子，形成电流。价

16、带空穴导电：价带空穴导电：价带中一般是填满的，电子运动状态无法改变，不能形成电流；在外界作用下，价带中的电子跃迁到导带，电子留下空位（称为空穴空穴）。在电场作用下，临近电子跃入到空穴后，又产生新的空穴，其它电子又可以跃入到新空穴中，形成了电子的定向移动，有电流产生。由于空穴的运动与电子移动方向相反，相当于正电粒子正电粒子。载流子：电子和空穴载流子：电子和空穴济南大学物理科学与技术学院372.2.5 本征半导体和杂质半导体本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。（无导电能力）有外界作用时，由于禁带宽度较小，价带电子可直接激发跃

17、迁到导带，本征 半导体有导电能力了。载流子只由本征激发产 生，导带电子和价带空 穴数目相同。特性1 1 本征半导体本征半导体晶体总是含有缺陷和杂质的，半导体的许多特性由所含杂质和缺陷决定。这是因为：在杂质和缺陷附近可形成束缚电子态。杂质原子能级与晶体原子能级不同，杂质的能级可以在晶体能级的禁带中。即束缚态的能量一般处在禁带中。2 2 杂质半导体杂质半导体济南大学物理科学与技术学院39在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。（族元素

18、：磷、砷、锑等）受主杂质电离电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。 （族元素：硼、铝、钾、铟等）电离电离：施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跃迁到导带（或价带）的过程成为电离。济南大学物理科学与技术学院40 n型半导体中，电子多于空穴，电子电子被称为多数载流子。 p型半导体中，电子少于空穴，空穴空穴被称为多数载流子。济南大学物理科学与技术学院412.2.6 平衡和非平衡载流子处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为度一定。这种处于热平衡状态下

19、的载流子浓度，称为平衡载流子平衡载流子浓度。浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为来的这部分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子。 济南大学物理科学与

20、技术学院42非平衡载流子的产生光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。00nnnppp济南大学物理科学与技术学院43载流子的输运过程扩散 浓度不均匀漂移 外部电场的作用复合：a.直接复合，自由电子和自由电子和自由空穴直接复合 b.间接复合，杂质能级（禁带中的深能级）作为复合中心济南大学物理科学与技术学院442.

21、2.7半导体对光的吸收物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁由价带跃迁到导带到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发才能发生本征激发济南大学物理科学与技术学院450/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的长波限济南大学物理科学与技术学院46杂质吸收和自由载流子吸收引起杂质吸收杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本

22、征吸收限以外的长波区自由载流子吸收自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。1.24()daEE=dcDaAvEEEEEE电离能电离能杂质吸收杂质吸收的长波限的长波限0济南大学物理科学与技术学院472.2.8 PN结将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。济南大学物理科学与技术学院48（1）热平衡下的PN结：热平衡时，扩散流等于漂移流PNFFDEEqV其中，VD为接触电势差或内建电势，它是结区出现的电势差。DqV称为势垒高度。热平衡过程实际上将P型半导体

23、和N型半导体的两个费米能级拉平了。（2）非热平衡下的PN结：非热平衡时，载流子浓度乘积FFEEqVkTqVienpn2非平衡状态下电子和空穴的费米能级，称之为准费米能级。FFEE ,V=0:平衡态V0:PN结上加正向电压VWWs s形成表面势垒形成表面势垒势垒区电子浓度比体内小得多势垒区电子浓度比体内小得多高阻区高阻区( (阻挡阻挡 层层) )。界面处的势垒通常称为界面处的势垒通常称为肖特基势垒肖特基势垒。若若WWm mWWWs s，能带向，能带向上弯曲，形成上弯曲，形成P P型反阻挡层。型反阻挡层。金属与金属与p p型半导体接触时，若型半导体接触时，若WWm mWWWs s阻挡层阻挡层（肖特

24、基势垒）（肖特基势垒）反阻挡层反阻挡层（欧姆接触）（欧姆接触）WWm mWWs s反阻挡层反阻挡层（欧姆接触）（欧姆接触）阻挡层阻挡层（肖特基势垒）（肖特基势垒）上述金半接触模型即为上述金半接触模型即为SchottkySchottky 模型：模型：济南大学物理科学与技术学院652.3 光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。起物体电学特性发生改变统称为光电效应。光电效应包括：外光电效应和内光电效应。光电效应包括：外光电效应

25、和内光电效应。济南大学物理科学与技术学院66外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和多发生于金属和金属氧化物。光电器件中，光电管、光电倍增管等。金属氧化物。光电器件中，光电管、光电倍增管等。内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流

26、子数显著增加而电阻减少的现象。体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。最重要的参数是灵敏度、弛豫时间和光谱分布。最重要的参数是灵敏度、弛豫时间和光谱分布。灵敏度：一定条件下，单位照度所引起的光电流。可以用光电灵敏度：一定条件下，单位照度所引起的光电流。可以用光电增益增益G表示。表示。弛豫时间：光电导上升或下降的时间，或称为响应时间。表征弛豫时间：光电导上升或下降的时间，或称为响应时间。表征光电导对光强变化反应的快慢。光电导对光强变化反应的快慢。光谱分布：光电导的大小与照射光的波长有密切关系。光谱分布：光电导的大小与照射光的波长有密切关系。济南大学物理科学与技术学院68光生伏特效应光生伏特效应：光

27、照在半导体：光照在半导体PN结或金属结或金属半导体接触上时，半导体接触上时，会在会在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴区，光生空穴拉向拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会结短路，则会出现电流（光生电流）。出现电流（光生电流）。济

28、南大学物理科学与技术学院69光热效应光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化l热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象l辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象l温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流效应探测器光子效应外光电效应光电发射效应光阴极发射光电子光电管光电管倍增极倍增光电倍增管光电倍增管通道电子倍增像增强管内光电效应光电导效应光电导管或称光敏电光敏电阻阻光伏效应零偏的p-n结和PIN结光电池光电池反偏的p-n结和PIN结光电二极管光电二极管雪崩效应雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒肖特基势垒光电二极肖特基势垒光电二极管管p-n-p结和n-p-n结光电三极管光电磁效应光电磁探测器光子牵引效应光子牵引探测器光热效应温差电效应热电偶、热电堆热释电效应热释电探测器热辐射效应负温度系数热效应热敏电阻测辐射热计正温度系数热效应金属测辐射热计超导超导远红外探测器其它高莱盒、液晶等