02-光电技术基础

Eth Evac E f
（1-100）
式中，Evac为真空能级，一般设为参考能级为0；费米能 级为低于真空能级的负值；光电发射阈值Eth大于0。
对于半导体，情况较为复杂，半导体分为本征半导体与 杂质半导体，杂质半导体中又分为P型与N型杂质半导体， 其能级结构不同，光电发射阈值的定义也不同。图1-16 所示为三种半导体的综合能级结构图，由能级结构图可 以得到处于导带中的电子的光电发射阈值为
自由载流子吸收和晶格吸收不会改变半导体的导电特性
6.半导体各种吸收类型的总结：
只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载
流子，能够引起光电效应。
其他吸收都程度不同地把辐射能转换为热能，使
器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不
会改变半导体的导电特性。
光电效应
光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。
应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收 光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自 由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴 使半导体的电导率发生变化。 本征光电导效应：在光的作 用下由本征吸收引起的半导
体电导率的变化现象。
两种情况（具体推导过程不作要求）
1) 在弱辐射作用下的半导体材料的电导与入射辐射通量
结果在垂直于光照方 向与磁场方向的半导 体上下表面上产生伏 特电压，称为光磁电 场。这种现象称为半 导体的光磁电效应。
光磁电场为
EZ
qBD( n p )( p0 pd ) n0 n p0 p
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光辐射 作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；D为双极 性载流子的扩散系数，在数值上等于
吸收类型
激子吸收 自由载流子吸收 晶格吸收
1、本征吸收
预备知识：价带、导带、禁带、P/N型半导体 在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电 子基本上处于价带中，导带中的电子很少。 当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收 足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以 自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自 由空穴，产生电子-空穴对。
率。μn=1400cm2/(V· s)，而μp=500 cm2/(V· s)，显然， μn>>μp。
半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特 电压。称这种由于双极性载流子扩散运动速率不同而产 生的光生伏特现象为丹培效应。
4.光磁电效应
在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当 半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁 场中的运动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨 迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。
结论：
1、半导体的消光系数μ与入射光的波长无关，表明 它对愈短波长的光吸收愈强。 2、普通玻璃的消光系数μ也与波长λ无关，因此，它 们对短波长辐射的吸收比长波长强。 当不考虑反射损失时，吸收的光通量应为
Φ Φ0 Φ Φ0 (1 ex )
二、半导体对光的吸收（ 1.5.2 ）
本征吸收 杂质吸收
内光电效应：被光激发所产生的载流子（自由电子或
空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化
或产生光生伏特的现象。——半导体图像传感器
外光电效应：被光激发产生的电子逸出物质表面，形
成真空中的电子的现象。——真空摄像管、像增强器
光电效应是图像传感器的基础。
一、内光电效应 1. 光电导效应
光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效
q d I (1 e )Φe, h
3. 丹培（Dember）效应 当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射 时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的 电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成 浓度差。 丹培效应：由于 载流子迁移率的
差别产生受照面
与遮光面之间的
x
物质的吸收系数α：光在物质中传播时，透过的能量 衰减到原来能量的e-1时所透过的路程的倒数。
1 x
根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时， 辐射通量随传播路径x的变化关系应为：
Φ Φ0 e

2 x c
2 4π c
μ称为消光系数
物质的吸收系数
2 4π c
伏特现象。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
KT n p n p n0 ln1 UD n p q n p 0 n 0 p
式中，n0与p0为热平衡载流子的浓度；Δn0为半导体表面
处的光生载流子浓度；μn与μp分别为电子与空穴的迁移
qU KT
I I I D (e
1)
式中， IΦ为光生电流，ID为暗电流。
q d I (1 e )Φe, h
图像传感器中常用具有光伏效应的光电二极管作为
像敏单元，并常采用反向偏置。
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
I=IΦ+ID 光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流IΦ，因此 常将其忽略。 光电二极管的电流与入射辐射成线性关系
图像传感器的概述
教 学 进 度
光电技术基础 光源 图像传感器基本原理及电视制式 CCD图像传感器基本工作原理 典型线阵ICCD 典型面阵ICCD
视频信号处理及 计算机数据采集
图吸收
光电技术基础
– 物质对光吸收的一般规律 – 半导体对光的吸收 光电效应 – 内光电效应 – 外光电效应
杂质吸收的长波限——
N型半导体
1.24 L ED
1.24 L EA
P型半导体
由于禁带宽度Eg>ΔED或ΔEA ，因此，杂质吸收的长波 长总要长于本征吸收的长波长。
杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应
3. 激子吸收
当入射到本征半导体上的光子能量hv小于Eg，或入射 到杂质半导体上的光子能量hv小于杂质电离能（ΔED或 ΔEA）时，电子不产生能带间的跃迁成为自由载流子， 仍受原来束缚电荷的约束但是处于受激状态。 激子：处于受激状态的电子 激子吸收：吸收光子能量产生激子的现象 激子吸收不会改变半导体的导电特性。
本征吸收：
半导体价带电子吸收光子 能量跃迁入导带，产生电 子空穴对的现象
发生本征吸收的条件： 光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电
子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
hv Eg
发生本征吸收的光波长波限
hc 1.24 L Eg Eg
只有波长短于上述波长极限的入射辐射才能使器件 产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。 图像传感器常用材料： Si单晶材料室温下禁带宽度为1.1ev, 波长极限为1100nm
2 、杂质吸收
P或N型杂质半导体吸收足够能量的光子，产生 电离的过程。 N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子）吸收光 子能量hv。若hv大于等于施主电离能ΔED ，杂质原子 的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃入导带，成 为自由电子 P型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于ΔEA （受主电离能）的光子后，价电子跃入受主能级，价 带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能 量跃入价带。
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 电发射器件中的导电电子可以在真空中运动。因此， 可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍 增系统提高光电探测灵敏度，使它能高速度地探测极其 微弱的光信号，成为像增强器与变相器技术的基本元件。
2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电 成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间 分辨率要高于半导体光电图像传感器。
4. 自由载流子吸收
对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高时，不 足以引起电子产生能带间的跃迁或形成激子时，仍然存在 着吸收，而且其强度随波长增大而增强。 自由载流子吸收: 由自由载流子在同一能带内的能 级间的跃迁所引起的吸收。
5. 晶格吸收
晶格原子对远红外谱区的光子能量的吸收直接转变为 晶格振动动能的增加，在宏观上表现为物体温度升高， 引起物质的热敏效应。
2. 光生伏特效应 光生伏特效应是基于
半导体PN结基础上的一
种将光能转换成电能的 效应。 当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价
带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场
的作用下分开，并分别向如图所示的方向运动，形成 光生伏特电压或光生电流的现象。
半导体PN结的能带结构如图1-12所示，当P型与N 型半导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行 相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运 动平衡时，它们具有如图所示的同一费米能级EF，并在 结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。
当入 射光照射在 PN结区时，本征吸收产生 的电子和空穴将在内建电 场力作用下做漂移运动， 光生电子被拉到N区，而空 穴拉到P区，结果P区带正 电，N区带负电，产生电压 降。
当设定内建电场的方向为电压与电流的正方向时，将PN
结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为Φe,λ 的辐射作用于PN结上，则有电流I流过负载电阻，并在 负载电阻RL的两端产生压降U，流过负载电阻的电流应 为
D
Dn Dp (n p) nDn pDp
其中，Dn与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。
5. 光子牵引效应 当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传 递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相 对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将 产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵 引效应。 在室温下，P型锗光子牵引探测器的光电灵敏度为
p (1 r ) 1 e l Sv Ac 1 re l p p0 p 1 p0