光电材料

EXIT第五章光电材料光电材料光能转变为电能的一类能量转换功能材料。常用三种光电功能材料：（1）光电子发射材料（2）光电导材料（3）光电动势材料EXIT第五章光电材料一、光电子发射的原理1、光电子发射现象光电子发射现象：当光照射到材料上，光被材料吸收产生发射电子的现象。光电子发射材料：具有光电子发射现象的材料。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料§5.1光电子发射材料2、光能－－电子能的转换效应光电子发射材料又称之为外光电效应材料。光电子发射现象是光能与电子能量转换的结果。当光照射材料以后，光被材料吸收，吸收的能量克服电子结合能(E结合)和给予电子运动速度(V)。根据能量守恒原理：hν=E结合+(1/2)mV2当V=0时，hν0=E结合光能完全用于克服电子的结合能。EXIT第五章光电材料3、能带结构电子的结合能E结合与能带结构有关。Ee－静止自由电子能级Ec－导带底能级EF－费米能级（T=0K时电子具有的最高能量）EV－价带顶能级Eg－禁带宽度χ－电子亲和势，导带底端到静止自由电子能级的能量差（Ee-Ec)Φ－逸出功δ－价带顶端能级到费米能级的能量差§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、能带结构固体材料，电子结合能E结合:E结合=χ+Eg=φ+δ（1）金属光电子发射材料金属没有禁带，导带和价带重叠，δ趋近于零。E结合主要取决于φ的大小。一般φ的大小为1～5eV。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、能带结构固体材料，电子结合能E结合:E结合=χ+Eg=φ+δ（2）半导体光电子发射材料E结合主要取决于χ与Eg之和。价电子逸出的必要条件：价电子吸收光子的能量E吸收大于E结合。E吸收＞E结合＝χ+Eg。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、能带结构（2）半导体光电子发射材料价电子逸出体外的步骤：第一步，从价带跃迁到导带第二步，从导带向表面扩散（3）热电子逸出热电子：能量大于Eg的电子。热电子逸出必须克服χ。χ为正时，正电子亲和势。χ为负时，负电子亲和势。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、能带结构（3）热电子逸出释热长度热电子在向表面的扩散过程中与晶格作用，作用时间大约为10-12s，电子可以扩散数10nm，作用的结果会损失一部分能量。这个能量损失的距离称为释热长度，记作为Lt。热电子逸出条件：第一，热电子能量＞电子亲和势；第二，逸出深度LD＞释热长度Lt。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、能带结构（3）热电子逸出发射效率当光子入射深度大于释热长度Lt的情况下，两种亲和势逸出深度不同，负电子亲和势逸出深度(LD)大于正电子亲和势的逸出深度。负电子亲和势材料的发射效率比正电子亲和势材料的发射效率高得多。光子入射深度小于释热长度时，则两种阴极的效率没有什么差别。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料二、光电子发射材料的特征值1、临阈频率ν0(红限λ0)每种光电子发射材料都有其临阈频率ν0，ν0为光电子发射效应的频率下限(波长上限，即长波边界)。hν0=E结合，ν0=E结合/h，λ0=ch/E结合当ν＜ν0(λ＞λ0)时，无光电子发射效应。临阈频率ν0是光电子发射材料表征的特征值之一。2、积分灵敏度S积分灵敏度也是光电子发射材料的特征值之一。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料2.积分灵敏度S积分灵敏度S定义为：S=Iφ/φIφ－最大光电流(μA)；φ－入射光通量(lm)。一般S=10%～20%，其中80%～90%损失掉。损失主要包括：（1）光反射损失；（2）光吸收变为热量的损失（3）光波长λ＞λ0部分的光能损失。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料3、光谱灵敏度积分灵敏度S与波长λ有关。S与λ关系如图5-2。可以找到S最高时的波长值。4、灵敏阈接受光辐射的装置能够发现的最小光辐射量称为该装置的灵敏阈，单位为流明。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料三、光电子发射材料的种类1、正电子亲和势阴极材料(χ＞O)2、负电子亲和势阴极材料(χ＜O)负电子亲和势材料比正电子亲和势材料的光电转换效率高，光谱响应宽，暗电流低以及光电子结合能小，积分灵敏度可以达到～8300μA/lm。负电子亲和势材料的性能显著优于正电子亲和势材料。这也是光电子发射材料的发展方向。四、光电子发射材料的应用利用光电子发射原理，光电子发射材料做成光电阴极。光电子发射阴极通过电场并配以荧光屏成像可做成光电转换器。§5.1光电子发射材料EXIT第五章光电材料一、光电导原理1、光电导现象光电导现象：受光照射电导急剧上升的现象。光电导材料：具有光电导现象的材料，又称作内光电效应材料或光敏材料。2、光电导光照到半导体(或绝缘体)上，价带的电子接受能量，电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子参与导电。光电导：光的作用产生的附加电导。§5.2光电导材料EXIT第五章光电材料3、本征光电导附加的光电导来自附加的载流子，载流子可以来自带间跃迁,也可以来自杂质的激发。光电导有本征光电导和杂质光电导之分。本征光电导，电导率为:σ=e(no+△n)μn+e(po+△p)μpno和po－电子和空穴的浓度；μn和μp－电子和空穴的迁移率；△n和△p－电子和空穴在光激发时所附加的浓度。§5.2光电导材料EXIT第五章光电材料3、本征光电导本征光电导，电导率为:σ=e(no+Δn)μn+e(po+Δp)μp无光照时的电导率为:σ0=noeμn+poeμp附加光电导为:Δσ=σ-σ0电子与空穴迁移率之比:b=μn/μp；Δn=Δp§5.2光电导材料0000000)1(pbnnbpnpnpnpn温度低，no和p0值小，Δσ与σ0比值大，灵敏度高。实验发现光电导的特性和半导体内部的杂质有着密切的关系。EXIT第五章光电材料二、光电导材料的特征值1、积分灵敏度S光电导材料的积分灵敏度S代表光电导产生的灵敏度，即单位光入射通量产生的电导率的附加值的大小。积分灵敏度定义为：S=σ/φφ为光入射通量，σ为电导率。2、“红限”或长波限光电导不存在明显的长波限，定义光电导数值降到最大值一半的波长为长波限也称为“红限”，代表产生光电导的波长上限。§5.2光电导材料EXIT第五章光电材料3、光谱灵敏度光谱灵敏度用S～λ光谱曲线表示。图５－３表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。4、灵敏阈能够测出光电导材料光电导的最小光辐射量称为灵敏阈。§5.2光电导材料EXIT第五章光电材料三、光电导材料的种类1、按材料种类分类(3种)(1)光电导半导体光电导半导体包括单体(Ge,Si)，氧化物(Zn0,PbO)，镉化物(CdS,CdSe,CdTe)，铅化物(PbS,PbSe,PbTe)，其他(Sb2S3,InSb)等。(2)光电导陶瓷CdS陶瓷、CdSe陶瓷等是光电导陶瓷材料。(3)有机高分子光导体如聚氯乙烯基咔唑(PNVC)和2,4,7-三硝基芴酮(TNF)组成的传荷络合物(CT)等属此类。§5.2光电导材料EXIT第五章光电材料2、按用途分类（5种）（1）远红外区光导体例如：InSb、HgTe等；（2）近红外区光导体例如：PbS等；（3）可见区光导体例如：Sb2S3,PbO,Ge等（4）X射线光导体（5）电子射线光导体§5.2光电导材料四、光电导材料的应用利用光生载流子产生光导效应的原理，光电导材料常用作光探测的光敏感器件的材料。如作可见光、红外光的半导体光电导型光敏元件的材料以及半导体光电二极管的材料。EXIT第五章光电材料光生伏特效应在光照下，半导体（p-n结）或半导体与金属组合的不同部位之间的两端产生电位差的现象，简称为光伏效应。光生伏特材料具有光生伏特效应的材料，又称光电动势材料。一、光电动势原理光生伏特的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。在光照下，光电动势材料上形成阻挡层，两面可以产生电动势。以P-N结为例说明。§5.3光电动势材料EXIT第五章光电材料1、热平衡态下的P-N结（1）P-N结的形成§5.3光电动势材料同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。PN区交界面处存在载流子浓度差，彼此要向对方扩散。在P－N结形成的一瞬间，在N区的电子为多子（多数载流子），在P区的电子为少子。电子由N区流入P区，电子与空穴相遇发生复合。EXIT第五章光电材料这样，在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。§5.3光电动势材料同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层）。EXIT第五章光电材料由此出现空间电荷偶极层，形成一个自N区指向P区的电场（称内建电场）。内建电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。§5.3光电动势材料在偶极层中，正电层和负电层中的电子和空穴(即载流子)的数目都是很少的，电阻很高，称为阻挡层。阻挡层起到阻止电子和空穴扩散的作用。EXIT第五章光电材料（2）P-N结能带与接触电势差在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、EV之间的关系与结形成前状态相同。从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。§5.3光电动势材料当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。EXIT第五章光电材料在内建电场作用下，EFN连同整个N区能带一起下移，EFP连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。这时在结区导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。§5.3光电动势材料势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差。qUD=EFN-EFPUD=(EFN-EFP)/qq－电子电量；UD－接触电势差或内建电势。EXIT第五章光电材料2、光照下的P-N结（P-N结光电效应）热平衡态下的P-N结。尽管有内建电场存在，但是在整个结中没有剩余的空穴和电子，结中并产生外场电动势，外电场为零。当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能通过P-N结。非本征激发P区只产生空穴，N区只产生电子。§5.3光电动势材料EXIT第五章光电材料只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移通过P-N结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。空间净电荷积累产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，方向由P区指向N区。光生电场使势垒降低，减小量即光生电势差，P端正，N端负。这样，有结电流由P区流向N区，方向与光电流相反。§5.3光电动势材料EXIT第五章光电材料实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子－空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。§5.3光电动势材料EXIT第五章光电材料3、光照下的P-N结电流方程与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。I=I0eqU/KT-(I0+Ip)；令Ip=SΦ，则：I=I0eqU/