光电子学和光子学讲义光电探测器VIP免费

Chapter6Chapter6光电探测器光电探测器一、简介光电探测器：光能或光信号转换为电能或电信号的器件，是光接收机的核心。机理：光电效应。——物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光生伏特效应、光电子发射物理过程：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。说明:如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。也可以用作光电探测.外光电效应:是指物质受光照后而激发的电子逸出物质表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流,又称光电子发射效应。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应:是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。外光电效应光电子发射光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应光磁电效应光电导效应半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。光生伏特效应光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。丹倍效应由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应。光磁电效应放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。利用光电效应制作的光电探测器称为光子探测器。除光子探测器外，光电探测器还有热电探测器，其机理是材料因吸收光辐射能量使其自身温度升高，从而改变它的电学性能。光电探测器的分类：光电探测器热电探测器光子探测器光电二极管pin光电二极管雪崩光电二极管光电三极管光电池光敏电阻光电倍增管热释电探测器热敏电阻热电偶气动管二、光电二极管1.pn结的光生伏特效应没有光照和开路情况下的pn结入射光垂直pn结面入射。如结较浅，光子将进入pn结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，会产生本征吸收，在结的两边产生电子-空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大。pn结势垒区内存在自建电场（自n区指向p区），结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区。该运动使p端电势升高，n端电势降低，于是在pn两端形成了光生电动势。这就是光生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在pn结内部形成自n区向p区的光生电流IL。由于光照在pn结两端产生光生电动势，相当于在pn结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD-qV，载流子的飘移运动产生正向电流IF。pn结开路情况下，当光生电流和正向电流相等时，pn结两端建立起稳定的电势差，这就是光电二极管的开路电压。如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，pn结起了电源的作用。这就是光电二极管（光电池）的基本原理。在内建电场作用下，电子和孔穴分别漂移到N侧和P侧，产生与照射光功率成比例的电流。光在势垒区外也被吸收，只有势垒区内部及附近被吸收的光才能产生光生电流。2.外加反向偏压下的pn结不加反向偏压下pn结作为光电探...