《光电子器件》笔记docx.docx

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光电子器件

第一章

1、

光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率.

（在波长λ附近一个很小的波长范围里）辐射功率

光谱响应率（Rλ）:

光电器件在单色

作用下产生的信号电压或信号电流。

α—称为器件与

α愈大,,则该光电器件对红外成像器件

光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。

2.器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。

在光源固定的情况下，面积A1是不变的，如果与曲线重合得愈多，面积A2愈大,也就是光谱匹配愈好；反之,如果两曲线没有重合之处,α=0,即二者完全失配光源辐射没有探测能力。

光谱匹配是选择光电子器件，如像管、光电倍增管、的材料的重要依据。

3.

为噪声。

噪声是

光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称物理过程所固有的，人为不可能消除。

它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。

光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、复合噪声等。

P=旦」

Prmin

u√u∏RU

当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率NEP。

Pmin越小，器件的探测能力越强。

对Pmin取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，称为探测率。

研究指出：

探测率与器件的

面积和工作带宽成反比。

4•光吸收厚度：

设入射光的强度为10,入射到样品厚度为X处的光强度为I,则:

α为线吸收系数，单位为（1/cm）

α小时，光入射得深。

当厚度d=1∕α时，称为吸收

5•本征吸收：

价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收称为本征吸收。

本征吸收条件：

光子的能量必须大于或等于禁带的宽度EgO

6.内光电效应：

材料在吸收光子能量后，出现光生电子一空穴，由此引起电导率变化或电压、电流的现象，称之为内光电效应。

光电导效应：

当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率

使电导率增加，这个现象称为光电导效应。

在外电场作用下就能得到电流的变化。

光电导效应分为本征型和非本征型。

=e（∏o∏Tneg。

PrP

i…0=eenμn+δPP）

Wn°e∏p°eP

当有光注入时，半导体电导率：

电导率的增量称为光电导率：

人二

8.增加载流子寿命：

好处：

增益提高，灵敏度提高，响应率提高。

缺点：

惰性增加，频率响应特性变差。

所以增益和惰性不可兼得。

9.影响光谱响应的两个主要因素：

光电导材料对各波长辐射的吸收系数和截流子表面复合率。

光电导光谱响应特点：

都有一峰值，峰值一般靠近长波限（长波限约为峰值一半处所对应的波长）。

10.光敏电阻是利用光电导效应制成的最典型的光电导器件。

光敏电阻器均制作在陶瓷基体上，光敏面均做成蛇形，目的是要保证有较大的受光表面。

上面带有光窗的金属管帽或直

接进行塑封，其目的是尽可能减少外界（主要是湿气等有害气体）对光敏面及电极所造成的

不良影响，使光敏电阻器性能保持稳定，工作可靠。

光敏电阻光谱响应特性主要由所用的半导体材料所决定，主要是由材料禁带宽度所决定，禁

带宽度越窄，则对长波越敏感。

但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却光敏面的办法来提高灵敏度是很有效的。

光敏

电阻一般用于与人眼有关的仪器，在使用时，必须加滤光片修正光谱。

第一章作业

1、什么是光谱响应率？

根据器件与光源的光谱曲线说明光谱匹配系数α的意义。

2、某光电二极管，受波长为1.55Um的6x1012个光子的照射，其间输出端产生2x1012个光子。

试计算该光电子器件的量子效率和响应度。

3、什么是器件的最小可探测辐射功率和探测率？

探测率表达式的意义如何？

4、半导体发生本征光吸收的条件是什么？

第二章

1.光生伏特效应：

两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。

结型光电探测器与光电导探测器的区别：

（1）产生光电变换的部位不同。

（2）光电导型探测器没有极性，且工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，

不需外加电压也可把光信号变为电信号。

（3）光电导探测器为均质型探测器，载流子驰豫时间长，频率响应特性差。

而结型探测器

频率特性好，灵敏度高。

雪崩式光电二极管、光电三极管还有内增益作用，可以通过较大的

电流。

2.外接电路开路（断路）时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大，此时的光生电

动势UoC称为开路电压。

外接电路短路时，流过电路的电流ISC称为短路电流，就是光生电

流。

3.光电池在受光表面上涂保护膜，如镀Sio2、MgF2。

目的是减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮防腐蚀。

上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。

通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采用增加串联片数的方法来提高输出电压，

用增加并联片数的方法来增大输出电流。

4.光电二极管与光电池的主要区别：

（1）结面积大小不同，光电二极管的要小很多。

结电容很小，频率特性好；

（2）PN结工作状态不同，光电池PN结工作在零偏置状态下。

而光电二极管工作于反偏工作状态下，光电流小。

光电二极管分类：

按工作基础分：

有耗尽型及雪崩型。

按特性分：

有PN结、PlN结、异质结、肖特基势垒及点结触型等。

按对光的响应分：

紫外、可见光、红外型；

按制造工艺：

平面型、生长型、合金型、台面型。

5.PN结型光电二极管：

根据衬底材料不同分为2DU和2CU型两种。

2DU型易形成表面漏电流流到前极，它是暗电流（噪声）的大部分，应禁止它流过负载。

温度特性：

光电二极管受温度影响最大的是暗电流。

频率特性：

有两决定因素：

1）光生载流子在耗尽层的渡越时间；

2）结电容Cj和负载电阻RL所构成的时间常数RLCj

光电二极管等结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声。

6.PIN型光电二极管

特点：

（1）光生电流较大，灵敏度高。

因为I层比PN结宽得多，光生载流子要多得多，光生载流子在内建电场和反向电场作

用下的漂移移动会形成较大的光电流输出，灵敏度得以提高。

（2）响度速度快，频率特性好。

一般说，扩散运动的速度比漂移运动的速度低得多，PIN管由于扩散运动被抑制，所以

响应速度提高了。

时间响应特性主要取决于结电容和载流子渡越耗尽层所需要的时间。

由于PIN耗尽层变

宽，因此结电容变小了；同时由于I区电阻高，可承电压高，电场强，载流子渡越耗尽层时

间缩短了，所以时间特性变好了（频率带宽可达10GHZ）O

（3）响应波段宽

由硅材料制成的PIN管，长波段能响应到1.1um,可以探测到1.06μm的激光。

7•雪崩型光电二极管（APD）

1、雪崩光电二极管原理

PN结加上相当大的反向偏压（略低于反向击穿电压）一高电场一光生载流子加速一晶

格原子-新载流子一晶格原子-新载流子一雪崩式载流子倍增。

频率特点：

载流子运动速度快，渡越时间短（10-1OS量级），所以时间特性非常好，响

应频率可达105MHZ,是目前响应速度最快的一种光电二极管。

8•光电三极管

不仅能实现光-电转换，还能放大光电流。

第二章作业

1、结型光电探测器与光电导探测器的主要区别有哪些？

2、用波长为0.83μm、强度为3mW的光照射在硅光电池，无反射，其量子效率为0.85,并设全部光生载流子能到达电极。

求：

（1）光生电流。

（2）T=300K反向饱和电流为10-8A时，求光电池的开路电压。

3、已知2CR太阳能电池的参数为UOC=0.54V,ISC=50mA若用它进行串并联组合对0.5A,6V的蓄电池充电，需要多少个这样的电池？

4、光电二极管与光电池的主要区别是什么？

5、某光电二极管的结电容为5pF,要求带宽为10MHz,求允许的最大负载电阻是多少？

6、PIN管的时间响应特性为什么比普通光电二极管好？

7、说明雪崩型光电二极管的工作原理和频率特点。

第三章

1.真空光电器件的突出特点：

1）易于在管内实现快速、高增益、低噪声的电子倍增。

用于探测极微弱的光辐射和变化极快的光辐射。

如光子计数器。

2）易于制取大面积均匀的光敏面，像元密度大，可得到很高的分辨率。

用于较高要求的精密测量，如光谱分析仪，扫描电镜等。

2•将半导体光电发射的物理过程归纳为三步：

（1）半导体中的电子吸收入射光子的能量而被激发到高能态（导带）上；

（2）这些被激发的电子在向表面运动的过程中因散射而损失掉一部分能量；

（3）到达表面的电子克服表面电子亲和势EA而逸出。

3.把电子从体内导带底逸出真空能级所需的最低能量称为有效电子亲和势EAeff,以区别

于表面电子亲和势EA

4.如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极（NEA）O

NEA电子传输特性：

1）参与发射的电子是导带的未热化的冷电子；

2）NEA阴极中导带的电子逸入真空几乎不需作功。

5.真空光电管

它把光能转变为电能，属于非成像型

光电管是根据外光电效应原理工作的光电探测器,的光电器件。

光电倍增管

目前普遍采用而且最有效的探测微弱光辐射的器件是光电倍增管，它是光电阴极和二次

电子倍增器的结合。

光电倍增管结构主要由四部分组成：

光电阴极、电子光学输入系统（光电阴极至第一倍增极的区域），倍增系统（或称打拿极系统）、阳极（或称收集极）。

光电倍增管工作原理：

光子透过入射窗口入射在光电阴极上，电子受光子激发发射到真空中，光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入

射电子数目更多的二次电子，入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次，最后由阳极收集形成光电流。

光电阴极在结构形式上分为反射型侧窗式和透射型端窗式。

二次电子发射系数：

、=12

二次发射系数不仅与倍增极的二次发射材料有关，且与它极间电压VD有关。

电子倍增系统结构分类：

根据工作原理可分为两类：

聚焦型、非聚焦型。

6.光电倍增管的主要特性和参数

渡越时间散差是造成脉冲展

光电倍增管的频率响应主要受到电子渡越时间散差限制。

宽的主要因素

7.暗电流

定义：

当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后，阳极仍有电流输出，输出电流的直流部分称为该管的暗电流，即由非光照因素引起的一切电流称为暗电流。

引起暗电流有下列几方面的因素：

1）热发射

2）极间漏电

3）光反馈

4）离子反馈

5）场致发射

6）其他原因

作业：

1、简述半导体光电发射的过程。

2、用波长为589nm光照射某光电阴极，其发射电流的光谱灵敏度为0.05A/W,该材料的逸出功为1.4eV,求该材料的光谱量子效率、长波阈值以及发射光电子最大动能。

3、什么是负电子亲和势光电阴极？

4、说明光电倍增管的结构组成和工作原理。

5、某光电倍增管有10个倍增级，每个倍增级的二次电子发射系数δ