1、光電轉換器件第一頁，共52頁。 光電二極管的物理工作原理I II Ip pR RL L輸輸出出負載電阻負載電阻偏置電壓偏置電壓光電二極管光電二極管圖2.1 外加反向偏置電壓的pin光電二極管的電路示意圖p pn ni iw第二頁，共52頁。 n n導帶導帶價帶價帶擴散擴散擴散擴散p p帶隙帶隙E Eg g光子光子h h E Eg g擴散擴散擴散擴散i i光生電子光生空穴耗盡區耗盡區w漂移漂移漂移漂移第三頁，共52頁。 光功率光功率檢測電流檢測電流光脈沖光脈沖電脈沖電脈沖漂移漂移擴散擴散由光功率輸出轉換為電流輸出由光功率輸出轉換為電流輸出, ,有一時間延遲有一時間延遲, ,其值主要決定了載流子通

2、過耗盡區的渡越時間其值主要決定了載流子通過耗盡區的渡越時間 tr tr= =w/vs ( (漂移運動漂移運動) )光電流存在擴散分量光電流存在擴散分量, ,它與耗盡區外的吸收有關它與耗盡區外的吸收有關, ,擴擴散運動比漂移運動慢得多散運動比漂移運動慢得多, ,載流子作擴散運動的時延檢載流子作擴散運動的時延檢測器后沿脈沖加長測器后沿脈沖加長, ,影響光電二極管的響應速度。影響光電二極管的響應速度。 增增加加w w，減小擴散分量。減小擴散分量。第四頁，共52頁。 （1 1）最普通的光電二極管是）最普通的光電二極管是pin光電二極管，如圖，如圖2.12.1示，它的示，它的p p型材料區和型材料區和n

3、 n型材型材料區由輕微摻雜料區由輕微摻雜n n型材料的本征（型材料的本征（i i）區隔）區隔開。正常工作時，器件上加上足夠大的反開。正常工作時，器件上加上足夠大的反向偏置電壓，本征區的載流子不會完全耗向偏置電壓，本征區的載流子不會完全耗盡，即本征區固有的盡，即本征區固有的n n和和p p載流子的濃度載流子的濃度非常小和摻雜載流子相比可忽略。非常小和摻雜載流子相比可忽略。 第五頁，共52頁。 當一個入射光子能量大于或等于半導體的帶當一個入射光子能量大于或等于半導體的帶隙能量時，將激勵價帶上的一個電子吸收光子的隙能量時，將激勵價帶上的一個電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上，此過程產生自由的電子一能量

4、而躍遷到導帶上，此過程產生自由的電子一空穴對，由于它們是因光而產生的電載流子，故空穴對，由于它們是因光而產生的電載流子，故稱為光生載流子，如圖稱為光生載流子，如圖2.22.2所示。通常光電二極所示。通常光電二極管的設計使得大部分的入射光在耗盡區吸收，故管的設計使得大部分的入射光在耗盡區吸收，故大部分載流子也在此區域產生。耗盡區的高電場大部分載流子也在此區域產生。耗盡區的高電場使電子一空穴對立即分開并在反向偏置的結區中使電子一空穴對立即分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電向兩端流動，然后在邊界處被收集，從而在外電路中形成電流。每個載流子對分別對應一個流動路中形成電流

5、。每個載流子對分別對應一個流動的電子，這種電流稱為光電流。的電子，這種電流稱為光電流。第六頁，共52頁。 當電載流子在材料中流動時，一些電子一空穴當電載流子在材料中流動時，一些電子一空穴對會重新復合而消失對會重新復合而消失，此時電子和空穴的平均移，此時電子和空穴的平均移動的距離分別為動的距離分別為L Ln n和和L Lp p，此距離稱為，此距離稱為擴散長度擴散長度。 電子和空穴重新復合的時間稱為電子和空穴重新復合的時間稱為載流子壽命載流子壽命，分別記為分別記為n n和和P P 。載流子壽命和擴散長度的關系。載流子壽命和擴散長度的關系可表示為：可表示為：L Ln=n=（D Dn nn n）1/2

6、1/2 和和L Lp=p=（D Dp pp p）1/21/2 （1 1） 其中其中D Dn n和和D Dp p分別是電子和空穴的擴散系數，其分別是電子和空穴的擴散系數，其單位是單位是cmcm2 2/s/s 。第七頁，共52頁。 但但在半導體材料中，光功率的吸收呈指數在半導體材料中，光功率的吸收呈指數規律，即：規律，即： P（x）=P0（1-e- s()x） （2） 其中其中s() 是波長處的吸收系數，是波長處的吸收系數，s一般隨一般隨增加而減??；增加而減小；特定的半導體材料只能應用在有限的波長范圍特定的半導體材料只能應用在有限的波長范圍內。上限截止波長取決于所用材料的帶隙內。上限截止波長取決于

7、所用材料的帶隙Eg： （3）)()(24.1meVEEhcggc第八頁，共52頁。 對對sisi，c c=1.06=1.06mm；對；對G Ge e, , c c=1.06=1.06mm。如果波長更長，光子的能量就不足以激勵一如果波長更長，光子的能量就不足以激勵一個價帶的電子躍遷到導帶中。個價帶的電子躍遷到導帶中。請同學思考: :有一個光電二極管是由有一個光電二極管是由GaAsGaAs材材料構成的，在料構成的，在300300k k時其帶隙能量為時其帶隙能量為1.431.43evev，問，問它是否能用于它是否能用于13101310nmnm的系統中？的系統中？第九頁，共52頁。 問題問題: : 是

8、否波長越短越好呢是否波長越短越好呢? ? 在短波長段，材料的吸收系數變得很大，在短波長段，材料的吸收系數變得很大，因此光子在接近光檢測器的表面就被吸收，電因此光子在接近光檢測器的表面就被吸收，電子一空穴對的壽命極短，結果載流子被光電檢子一空穴對的壽命極短，結果載流子被光電檢測器電路收集以前就已經復合了。測器電路收集以前就已經復合了。 如果耗盡區寬度為如果耗盡區寬度為w w，據（，據（2 2）式，在距離）式，在距離w內吸收功率為：內吸收功率為： P（w）=P0（1-e-s()x) （4 4）Sw第十頁，共52頁。 設光電二極管入射表面的反射系數為設光電二極管入射表面的反射系數為Rf，則，則從（從

9、（4）式得到初級光電流）式得到初級光電流IP： （5） P0是入射光功率，是入射光功率，q是電子電荷，是電子電荷，hv是光子能量。是光子能量。)1)(1 (0fwRePhvqIps第十一頁，共52頁。 （I）量子效率和響應度）量子效率和響應度 光電二極管的兩個重要性參數是量子效光電二極管的兩個重要性參數是量子效率和響應速度，這些參數主要由器件材料的率和響應速度，這些參數主要由器件材料的帶隙能量帶隙能量E Eg g , ,工作波長工作波長，p p區，區，i i區區，n n區的摻雜區的摻雜濃度和寬度所決定。濃度和寬度所決定。量子效率量子效率表示每個能量為表示每個能量為hv的入射光子所的入射光子所產

10、生的電子一空穴對數，由下式給出：產生的電子一空穴對數，由下式給出：hvPqIP/0入射的光子數產生的電子一空穴對數(6)(6)第十二頁，共52頁。在光電二極管的實際應中，在光電二極管的實際應中，100100個光子會產生個光子會產生35359595個電子一空穴對，為個電子一空穴對，為30%30%95%95%。 為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區的厚度，使其可以吸收大部分的光子，區的厚度，使其可以吸收大部分的光子，但耗盡區越厚，光生載流子漂移渡越但耗盡區越厚，光生載流子漂移渡越（acrossacross）反向偏置結的時間就越長。由）反向偏置結的時間就越長。由

11、于載流子的漂移時間又決定了光電二極管于載流子的漂移時間又決定了光電二極管的響應速度，所以必須在響應速度和量子的響應速度，所以必須在響應速度和量子效率之間取一折衷。效率之間取一折衷。 wvt第十三頁，共52頁。對對SiSi和和GeGe等間接帶隙半導體材料，為確保等間接帶隙半導體材料，為確保 值，值，w的典型值在的典型值在2050m范圍，范圍， tr tr 200ps,響應速度較慢。響應速度較慢。對對InGaAsInGaAs等接帶隙半導體材料，等接帶隙半導體材料，w可減小至可減小至35m，若取漂移速度若取漂移速度vs =107cm/s, tr tr =3050ps。若定義帶寬為。若定義帶寬為f=(

12、2 tr tr )-1, f=35GHz。最佳設計的最佳設計的PINPIN光電二極管，光電二極管，其其f=20GHz。w 0.9m的光，的光，InP是透明的，而晶格匹配的是透明的，而晶格匹配的 InGaAs的帶隙約的帶隙約為為0.75eV 其相應的截止波長其相應的截止波長c c=1.65=1.65m ，因而在中間因而在中間InGaAs層，在層，在1.31.6 m內有很內有很強的吸收。強的吸收。 由于光子僅在耗盡區內吸收，完全消除了由于光子僅在耗盡區內吸收，完全消除了擴散分量，采用幾微米厚的擴散分量，采用幾微米厚的InGaAs，量子，量子效率可接近效率可接近100%，這種，這種InGaAs光電二

13、極管光電二極管廣泛用于廣泛用于1.3和和1.5 m的光接收機中。的光接收機中。第十六頁，共52頁。光電二極管的性能經常使用光電二極管的性能經常使用響應度響應度來表征。它和量來表征。它和量子效率的關系為：子效率的關系為： （7 7）它描述了單位光功率產生的光生電流的大小它描述了單位光功率產生的光生電流的大小。 隨波長及隨波長及材料帶隙不同而不變材料帶隙不同而不變。對給定材料與給定的波長，。對給定材料與給定的波長， 是常數；對于給定材料，當入射光的波長越來越長時，是常數；對于給定材料，當入射光的波長越來越長時，光子能量越來越小，當這個能量不足以從價帶激發一個光子能量越來越小，當這個能量不足以從價帶

14、激發一個電子躍遷到導帶上的能量要求時，響應度就會在截止波電子躍遷到導帶上的能量要求時，響應度就會在截止波長處迅速降低，如圖長處迅速降低，如圖6.36.3示。示。hvqPIp0第十七頁，共52頁。 響響應應度度波長波長( ( m ) )圖6.3 n種不同材料的pin光電二極管的響應度和量子效率與波長的關系曲線第十八頁，共52頁。 例：如圖例：如圖6.36.3示，波長范圍為示，波長范圍為13001300nm nm 1600 1/ 1/s s 的光電二極管對矩形輸入脈的光電二極管對矩形輸入脈沖的響應，它的上升與下降時間與輸入脈沖較一致；沖的響應，它的上升與下降時間與輸入脈沖較一致；如果光電二極管電容

15、較大，那它的響應時間就會受如果光電二極管電容較大，那它的響應時間就會受R RL L和和R Rc c時間常數所限制，其脈沖響應如圖時間常數所限制，其脈沖響應如圖5.45.4（c c）; ;如耗盡如耗盡區寬度太窄，則非耗盡材料產生的任何載流子在被吸收以區寬度太窄，則非耗盡材料產生的任何載流子在被吸收以前不得不擴散到耗盡區，所以窄耗盡區的器件會有明顯不前不得不擴散到耗盡區，所以窄耗盡區的器件會有明顯不同的慢速和快速響應分量，如圖同的慢速和快速響應分量，如圖5.45.4（d d）。）。第二十七頁，共52頁。 圖圖5.4 在不同的檢測器參數條件下，在不同的檢測器參數條件下，光電二極管的脈沖響應光電二極管

16、的脈沖響應 第二十八頁，共52頁。 請同學思考：請同學思考：上升上升時間時間的快速分量起源于？（耗盡區產的快速分量起源于？（耗盡區產生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區邊界生的載流子）；而慢速分量則源于？（耗盡區邊界L Ln n處處的載流子的擴散）的載流子的擴散）在光脈沖的后沿，耗盡區的光脈沖吸收很快，所在光脈沖的后沿，耗盡區的光脈沖吸收很快，所以在下降時間里產生了快速分量，而在非耗盡區載以在下降時間里產生了快速分量，而在非耗盡區載流子的擴散造成了脈沖后沿的一個很慢的延遲拖尾。流子的擴散造成了脈沖后沿的一個很慢的延遲拖尾。結電容結電容Cj： (26)wAcsjs：半導體材料介電常數；：半導

17、體材料介電常數； A=擴散層面積。擴散層面積。 第二十九頁，共52頁。 設設R RT T是負載電阻和放大器輸入電阻的組合，是負載電阻和放大器輸入電阻的組合，C CT T是是光電二極管結電容和放大器輸入電容之和，如前光電二極管結電容和放大器輸入電容之和，如前面圖面圖6.56.5示，則示，則此檢測器可近似為一個此檢測器可近似為一個R RC C低通濾波低通濾波器，其帶寬為器，其帶寬為TTCRB21第三十頁，共52頁。 InGaAs APD結構結構（1）為改善）為改善InGaAs APD結構，采用了多種多樣復雜結構，采用了多種多樣復雜的器件結構，其中一種廣泛應用的結構就是吸收和倍的器件結構，其中一種廣

18、泛應用的結構就是吸收和倍增分離（增分離（SAM，separateabsorptionandmultiplication）的）的APD，如圖，如圖6.8示，這種結構在吸收區示，這種結構在吸收區和倍增區使用了不同的材料，每個區為了一個特殊的功和倍增區使用了不同的材料，每個區為了一個特殊的功能進行了最佳化的設計。光從能進行了最佳化的設計。光從InP襯底進入襯底進入APD，由于，由于這種材料的帶隙能量較大，使長波長的光透射過去而進入這種材料的帶隙能量較大，使長波長的光透射過去而進入InGaAs吸收區，并產生電子一空穴對。倍增區吸收區，并產生電子一空穴對。倍增區InP層層中有很高的電場但沒有隧道擊穿。中

19、有很高的電場但沒有隧道擊穿。mm第三十一頁，共52頁。 mmInPInP襯底襯底InPInP緩沖層緩沖層InGaAsInGaAs吸收層吸收層InPInP倍增層倍增層光輸入光輸入金屬電極金屬電極金屬電極金屬電極圖圖6.86.8 SAM APD SAM APD結構簡單圖（各結構簡單圖（各層未按實際比例）層未按實際比例） 第三十二頁，共52頁。 SAM結構的其它形式包括對器件增結構的其它形式包括對器件增加一些其它的層區：加一些其它的層區：在吸收層和倍增層之間加入一個在吸收層和倍增層之間加入一個漸變層來加快響應時間，增大器件漸變層來加快響應時間，增大器件帶寬；帶寬；增加一個電荷層，以便更好地控增加一個

20、電荷層，以便更好地控制電場分布；制電場分布；加入一個諧振腔，去除耦合，提高加入一個諧振腔，去除耦合，提高量子效率和增大帶寬。量子效率和增大帶寬。第三十三頁，共52頁。 （2）超晶格結構）超晶格結構 倍增區大約為倍增區大約為250nm厚，比如由厚，比如由13層層9nm厚的厚的InAlGaAs量子阱和量子阱和12層層12nm厚的厚的InGaAs墊壘交錯而墊壘交錯而成，此結構提高了成，此結構提高了InGaAs APD的響應速度和靈敏度，的響應速度和靈敏度，可用在可用在10Gb/s的長距離通信系統中。的長距離通信系統中。 第三十四頁，共52頁。 圖5.5 通過光數據鏈路的信號路徑光接收機光接收機數字信

21、號傳輸數字信號傳輸第三十五頁，共52頁。 傳輸信號是一個兩電平的二進制數據流，在持續時間為傳輸信號是一個兩電平的二進制數據流，在持續時間為Tb的時隙內不是的時隙內不是0就是就是1，這個時隙稱為一個比特周期。，這個時隙稱為一個比特周期。 在電域中，對于給定的數字信息有許多種發送方法，其在電域中，對于給定的數字信息有許多種發送方法，其中一種最簡單發送二進制碼的方法是幅移鍵控，即對一個中一種最簡單發送二進制碼的方法是幅移鍵控，即對一個二值電壓進行開或關的切換，所得到的信號波形由兩個幅二值電壓進行開或關的切換，所得到的信號波形由兩個幅度分別為度分別為V和和0的電壓脈沖組成，幅度為的電壓脈沖組成，幅度為

22、V的電壓脈沖對的電壓脈沖對應于二進制碼中的信號應于二進制碼中的信號1，后者對應于信號，后者對應于信號0，為簡單起，為簡單起見，設發送一個見，設發送一個1碼時，有一個持續時間為碼時，有一個持續時間為Tb的電壓脈的電壓脈沖；對應于沖；對應于0碼，電壓保持在零值。碼，電壓保持在零值。mm第三十六頁，共52頁。 光發送機的功能是把一個電信號轉換一個光信號，電光發送機的功能是把一個電信號轉換一個光信號，電流流i(t)可用來直接調制光源以產生光輸出功率可用來直接調制光源以產生光輸出功率P（t）；光發；光發送機產生光信號時，持續時間為送機產生光信號時，持續時間為Tb的光能量脈沖代表的光能量脈沖代表1碼，碼，

23、沒有光發出時代表沒有光發出時代表0碼。碼。從光源耦合到光纖的光信號沿光纖玻璃傳輸時發生衰從光源耦合到光纖的光信號沿光纖玻璃傳輸時發生衰減和失真，到達接收機時，光信號轉換為電信號，再減和失真，到達接收機時，光信號轉換為電信號，再經放大和濾波以后，判決電路把每個時隙的信號值和經放大和濾波以后，判決電路把每個時隙的信號值和一個特定的參考電壓或閾值電壓進行比較，如果接收一個特定的參考電壓或閾值電壓進行比較，如果接收信號值大于閾值，則判定接收到一個信號值大于閾值，則判定接收到一個1碼，如小于閾值，碼，如小于閾值，則判定為則判定為0碼。碼。m第三十七頁，共52頁。光電轉換器件光電轉換器件是各種光電檢測系統

24、中實現是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光電轉換的關鍵元件，它是把光信號光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件電信號的器件。 第一節第一節 概述概述 第二節第二節 外光電效應器件外光電效應器件 第三節第三節 內光電效應器件內光電效應器件 第四節第四節 新型新型光電轉換器件光電轉換器件 第五節第五節 光敏傳感器的應用舉例光敏傳感器的應用舉例第三十八頁，共52頁。三、光電效應三、光電效應 是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能是指物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的電效應。光電轉換器件的工作原理基于光量，從

25、而產生的電效應。光電轉換器件的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類1 1、外光電效應、外光電效應 在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電向外發射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hh普朗克常數，普朗克常數，6.62610-34Js；光的頻率（

26、光的頻率（s-1）第三十九頁，共52頁。根據愛因斯坦假設根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應多發生于金屬和表現為逸出電子的動能。外光電效應多發生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過不超過10- -9s。根據能量守恒定理根據能量守恒定理 式中式中 m m電子質量；電子質量；v v

27、0 0電子逸出速度。電子逸出速度。 02021Amh該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。第四十頁，共52頁。n光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功物體的表面電子逸出功A A0 0。不同的物質具有不同的逸不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的

28、入射光，光強再大也不會產生光電子發射；反之，入入射光，光強再大也不會產生光電子發射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。子射出。第四十一頁，共52頁。n當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，成正比。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。逸出的電子數也就越多。n光電子逸出物體表面具有初始動能光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也光電效應器件（如

29、光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截會有光電子產生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。第四十二頁，共52頁。 當光照射在物體上，使物體的當光照射在物體上，使物體的電阻率電阻率發生變化，發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多它多發生于半導體內發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電根據工作原理的不同，內光電效應分為效應分為光電導效應光電導效應和和光生伏特效應光生伏特效應兩類：兩類： （1） 光電導效應光電導效應 在光線作用，

30、電子吸收光子能量從鍵合狀態在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應?；谶@種效應的光電種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有器件有光敏電阻光敏電阻。2 2、內光電效應、內光電效應第四十三頁，共52頁。過程：過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃使材料中導帶內

31、的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。度增加，從而使電導率變大。導帶導帶價帶價帶禁帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶價電子所占能帶Eg第四十四頁，共52頁。 材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限導材料，總存在一個照射光波長限0，只有波長小于，只有波長小于0的光照射在光電導體上，才能產生電子能級間的光照射在光電導體上，才能產生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。的躍進，從而使光電導體的電導率增加。 式中式中、分別為入射光的頻率和波長。分別為入射光

32、的頻率和波長。 Eg24. 1hch為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度料的禁帶寬度Eg，即，即第四十五頁，共52頁。 圖2 光電導元件工作示意圖光導元件URL電極電極入射光 圖圖2 2為光電導元件為光電導元件工作示意圖。圖中光工作示意圖。圖中光電導元件與偏置電源電導元件與偏置電源及負載電阻及負載電阻RLRL串聯。串聯。當光電導元件在一定當光電導元件在一定強度的光的連續照射強度的光的連續照射下下, ,元件達到平衡狀態元件達到平衡狀態時時, ,輸出的短路電流密輸出的短路電流密度為度為第四十六頁，共52頁。 （2 2） 光生伏

33、特效應光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應的現象叫做光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵睾凸饷舳O管、三極管。 勢壘效應（結光電效應）勢壘效應（結光電效應）。 在接觸的半導體和在接觸的半導體和PNPN結中，當光線照射其接觸區域時，結中，當光線照射其接觸區域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。便引起光電動勢，這就是結光電效應。 以以PN結為例，光線照射結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬結時，設光子能量大于禁帶寬度度Eg，使價帶中的電子躍遷到導

34、帶，而產生電子空穴對，在，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，被光激發的電子移向阻擋層內電場的作用下，被光激發的電子移向N區外側，被區外側，被光激發的空穴移向光激發的空穴移向P區外側，從而使區外側，從而使P區帶正電，區帶正電，N區帶負電，區帶負電，形成光電動勢。形成光電動勢。 第四十七頁，共52頁。側向光電效應側向光電效應。 當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產生側向光電效應。濃度梯度將會產生側向光電效應。 當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部

35、分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產生光被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產生光電動勢?；谠撔墓怆娖骷绨雽w光電位置敏感電動勢。基于該效應的光電器件如半導體光電位置敏感器件（器件（PSD）。）。第四

36、十八頁，共52頁。 包含光包含光- -熱、熱熱、熱- -電電, ,兩個階段的信息變換過程兩個階段的信息變換過程。光。光- -熱階熱階段是物質吸收了光以后溫度升高段是物質吸收了光以后溫度升高, ,熱熱- -電階段是利用某種效應將熱轉電階段是利用某種效應將熱轉變為電信號。熱釋電效應就是這種效應之一。變為電信號。熱釋電效應就是這種效應之一。 熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱釋熱釋電材料有晶體、陶瓷和塑料等。使用最早的是熱釋電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發極化電晶體。熱釋電晶體在自然條件下能夠自發極化, ,形成固有形成固有的偶極矩的偶極矩, ,在垂直晶體極軸的兩個端面上具有大小相等、符在垂直晶體極軸的兩個端面上具有大小相等、符號相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個端面上鍍有號相反的束縛電荷。如果垂直晶體極軸的兩個端面上鍍有金屬電極金屬電極, ,則在電極上會感生與束縛電荷大小相等的自由電則在電極上會感生與束縛