光电子学-6-第六章

1第六章光电探测技术2光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测器就是将光辐射能量转换为一种便于测量的物理量的器件。它是光电探测技术的核心器件。第六章光电探测技术3第六章光电探测技术①1873年，英国的Smith和May发现，当光照射到用作电阻的硒（Se）棒后，其电阻值约改变30％。②同年Simens将铂金绕在这种硒棒上，制成了第一个光电池。③1887年，德国的赫兹在证明电磁波的实验时，发现两个锌质小球之一用紫外线照射，则两个小球之间就非常容易产生电火花。④1888年，德国的霍耳瓦克斯证明光照射到金属表面上会引起电子发射；光探测器的发展简介4第六章光电探测技术⑤1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；⑥接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；⑦1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管；⑧1970年，Boyle等人发明了CCD（电荷耦合器件）。光探测器的发展简介5一.光电探测的物理机理二.光电探测器三.光探测器性能参数四.光电探测方式第六章光电探测技术6一.光电探测的物理机理【主要内容】外光电效应，内光电效应，光热效应第六章光电探测技术7根据电磁波对材料的影响①光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：a)内光电效应：发生在物质内部b)外光电效应：发生于物质表面第六章光电探测技术8根据电磁波对材料的影响①光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：a)内光电效应：发生在物质内部b)外光电效应：发生于物质表面②光热效应：物质吸收光，引起温度升高的一种效应。广泛用于红外辐射的测量第六章光电探测技术9根据电磁波对材料的影响①光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：a)内光电效应：发生在物质内部b)外光电效应：发生于物质表面②光热效应：物质吸收光，引起温度升高的一种效应。广泛用于红外辐射的测量。③波相互作用效应：激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应。包括非线性光学效应与超导量子效应等。第六章光电探测技术10第六章光电探测技术【预备知识】半导体的光吸收半导体的光吸收可分为本征吸收与非本征吸收。本征吸收指电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程。发生本征吸收的条件是入射光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg，即gEhh0(6-1)Egh导带价带图6-1本征吸收示意图11第六章光电探测技术式中是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。利用关系式0h)()(24.10meVEg除本征吸收外，半导体中还存在其它的光吸收过程，如激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收等，它们统称为非本征吸收。(6-2)【预备知识】半导体的光吸收可得出本征吸收长波限公式c12光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应。根据发生的部位与性质，光电效应分为内光电效应与外光电效应。a)内光电效应：发生在材料内部，且光子激发的载流子将保留在材料内部。b)外光电效应：发生在材料表面，且光子激发的电子离开材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。光电效应6-1-1.外光电效应-光电发射效应第六章光电探测技术13当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应可用两条基本定律来描述：①斯托列托夫定律②爱因斯坦定律外光电效应-光电发射效应第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应14当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光的强度成正比。斯托列托夫定律PSic式中，是光电流，是入射到探测器的光功率，是阴极对入射光线的灵敏度。ciSP(6-3)第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应15斯托列托夫定律斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。斯托列托夫定律也可表示为)()(tPhetic(6-4)式中，P(t)是时刻t入射到探测器上的光功率，是探测器的量子效率。上式也常称为光电转换定律。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应16爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。(6-5)EhhhmVE02max21max第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应17爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。(6-5)EhhhmVE02max21max第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应入射光子能量逸出功186-5式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。0为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。EhhhmVE02max21max(6-5)gEhmVE-212maxmaxhEg据6-5式，可导出外光电效应发生的条件为：截止波长(最大波长)：)(24.1mEEhcggc(6-6)(6-7)第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应19入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：①光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应20入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：①光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；②受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应21入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：①光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；②受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；③到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应22由此得到光电发射对阴极材料的要求：①对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；②电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；③材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；④电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应23金属的光电发射1.金属反射绝大部分入射的可见光（反射系数大于90%），吸收效率低。2.进入金属的电子与金属中大量自由电子碰撞，能量损失大，因此仅表面附近（几纳米范围内）的光电子才有可能克服逸出功（大都大于3eV）。对于能量小于3eV的可见光（波长413nm）很难产生光电发射。3.铯（逸出功2eV）对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很低（0.1%），在光电发射前两阶段能量损耗极大。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应24半导体的光电发射半导体光电发射的光电逸出参量有两个：①电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（即真空中静止电子的能量）与导带底能级之差。②电子逸出功：描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，数值上等于电子逸出表面所需的最低能量，即光电发射的能量阈值。半导体的逸出功定义为T=0K时真空能级与电子发射中心能级之差。半导体中常用亲和势来判别光电发射的难易程度。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应25①n型半导体：能带上弯，体内电子亲和势比不弯曲时增加一个势垒高度，逸出功增大，体内光电子发射变得困难。②P型半导体：能带下弯，逸出功减小，有利于体内光电子发射。实用的光电阴极几乎全是用p型半导体材料作衬底，然后在其上涂以带正电的金属或n型半导体材料而制成。第六章光电探测技术6-1-1.外光电效应-光电发射效应266-1-2.内光电效应内光电效应主要分为光电导效应与光伏效应①光电导效应：光照引起半导体材料电导变化的现象；②光伏效应：光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。第六章光电探测技术内光电效应：发生在材料内部，且光子激发的载流子将保留在材料内部。271.光电导效应光电导效应是光照引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察。该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。第六章光电探测技术6-1-2.内光电效应28对于本征半导体，无光照时，热激发仅使得少数电子从价带跃迁到导带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导0，)(0pepne式中e为电子电荷，n和e分别为无光照时导带电子密度和迁移率；p和p分别是无光照时价带空穴密度和迁移率。当有光入射时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量发生变化n,p，从而引起电导率变化)(pepne(6-8)(6-9)第六章光电探测技术6-1-2.内光电效应29图6-2光电导效应LWdVRLx+-P电极第六章光电探测技术以n型半导体为例，如图6-2所示，若光功率沿x方向均匀入射，光电导材料吸收系数为6-1-2.内光电效应30P为x=0处的入射光功率。光生电子在外场作用下的漂移电流为：第六章光电探测技术则入射光功率在材料x方向的变化为：)exp()(xPxP(6-10))()(xnexJ)(xn式中为x处的光生载流子密度，(6-11)=eE=eV/L为光生载流子在外场E作用下的漂移速度。则探测器上的光电流平均值为。dAxJiAP0)((6-12)6-1-2.内光电效应31第六章光电探测技术dxxnWeidP0)((6-13)式中，dA=Wdx，为沿x方向的面积分元，将式6-11代入，得光电流的平均值为若非平衡载流子寿命为，则光电子复合率为00)(xn而产生率为)()(WLhxP根据稳态时产生率与复合率相等，可得：)exp()()(00xWLhPWLhxPxn(6-14)6-1-2.内光电效应32(6-15)第六章光电探测技术从而得光电导探测器输出的平均光电流为：(6-16)(6-17)dxxLhePidP00)exp(若入射光功率全被吸收，则探测器体内平均光生载流子浓度为WLdhPn00此时光电流为：LhePiP006-1-2.内光电效应33(6-18)第六章光电探测技术定义量子效率为(6-19)dxxiidPP00)exp(可求得：hPGehPeLhPeLhePidP000式中，d=L/为外场作用下载流子的渡越时间，G=0/d为光电导的内部增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，是光电导探测器的一个特有参数。6-1-2.内光电效应34第六章光电探测技术根据以上讨论，为提高光电导探测器的性能，应该用平均寿命长，迁移率大的材料来制作探测器，且将探测器电极制作成梳状，以减小极间距离。G的大小随实验条件和器件本身的结构不同而不同，可在1