第二章 光电检测技术基础 PPT课件.ppt

第二章光电检测技术基础
7/15/2017
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光信息科学与技术系
导体、半导体和绝缘体
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间的半导体。
电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体
电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体
电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
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光信息科学与技术系
半导体的特性
半导体电阻温度系数一般是负的,而且对温度变化非常敏感。根据这一特性,可以制作热电探测器件。
导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。(纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时,电导率为2 /(欧姆•厘米))
半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
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光信息科学与技术系
本征和杂质半导体
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。
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。
受主杂质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。
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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,载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度,称为平衡载流子浓度。
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非平衡载流子。
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非平衡载流子的产生
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:电注入、高能粒子辐照等。
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载流子的输运过程
扩散
漂移
复合
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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到导带
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
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杂质吸收和自由载流子吸收
引起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,杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向.
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。载流子浓度很大时,导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收
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激子和晶格吸收
指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量,或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献,甚至会降低光电转换效率。
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