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p 0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 V VM 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