1、第四章光電導(dǎo)材料及器件數(shù)碼相機(jī)為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光？一、光電導(dǎo)型探測器簡介光控開關(guān)光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 光電導(dǎo)材料硫化物、氧化物、鹵化物 常用材料CdS、CdSe、PbS、InSb、TeCdHgCdS的應(yīng)用最多PbS、TeCdHg主要用于軍事利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件稱為光電導(dǎo)探測器，簡稱PC（Photoconductive）探測器又稱為光敏電阻 光譜響應(yīng)：紫外遠(yuǎn)紅外 工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安 可測強(qiáng)光，可測弱光 靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1 無極性光電導(dǎo)探測器的特點(diǎn)光電導(dǎo)探測器的定義及特點(diǎn)第一節(jié)：本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo) 1、光電導(dǎo)產(chǎn)生的原因暗（無光照時(shí)）電導(dǎo)率半導(dǎo)體的電導(dǎo)率光照時(shí)的電導(dǎo)率光照時(shí)

2、的非平衡載流子注入產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率稱為光電導(dǎo)率暗電流（越小越好）1、光電導(dǎo)產(chǎn)生的原因（續(xù)）光激發(fā)載流子濃度增加電導(dǎo)率增加光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在半導(dǎo)體材料中，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)。 2. 光電導(dǎo)效應(yīng)的分類按基本激發(fā)過程分類本征光電導(dǎo)探測器雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶而改變其電導(dǎo)率入射輻射激發(fā)雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴而改變其電導(dǎo)率1.極低溫度下工作；2. 常用N型 為紅限波長1、雜質(zhì)吸收和光電導(dǎo)的長波限比本征吸收和光電導(dǎo)長波限要大得多 雜質(zhì)光電導(dǎo)與本征光電導(dǎo)比較2、雜質(zhì)吸收和雜質(zhì)光電導(dǎo)比本征吸收和本征光電導(dǎo)弱得多 3、雜質(zhì)光電導(dǎo)必須低溫下工作以避免雜質(zhì)中心的熱電離并

3、使暗電導(dǎo)保持低值 4、本征光電導(dǎo)光的吸收深度可以淺得多，光電導(dǎo)的出現(xiàn)僅限于接近表面的薄層雜質(zhì)光電導(dǎo)吸收深度大，必須把光電導(dǎo)樣品做得比較厚5、本征光電導(dǎo)同時(shí)產(chǎn)生等量的自由電子和自由空穴，兩者都對(duì)光電導(dǎo)作出貢獻(xiàn)；雜質(zhì)光電導(dǎo)來說，只激發(fā)一種自由載流子(電子或空穴) 6、雜質(zhì)光電導(dǎo)和本征光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)的依從關(guān)系不同雜質(zhì)濃度通常比主晶格原子濃度要小好幾個(gè)數(shù)量級(jí) 第二節(jié) 光電導(dǎo)理論分析 設(shè)樣品均勻地受到總功率：E樣品受照表面的反射系數(shù)：R量子效率：1樣品的厚度足夠大，透過入射面的光全被吸收，吸收的光子數(shù)：樣品中每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的總電子-空穴對(duì)數(shù)目 穩(wěn)態(tài)非平衡載流子數(shù) 穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo) 暗電導(dǎo) 穩(wěn)態(tài)光電流 U：施加電壓

4、遷移率應(yīng)該大平均壽命長量子效率大反射低長度應(yīng)短第三節(jié) 光電導(dǎo)靈敏度 1) 比靈敏度穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)和電極之間距離平方的乘積除以入射的光功率 載流子壽命越高，比靈敏度就越高 量子效率越高，比靈敏度就越高 光電導(dǎo)增益 比靈敏度相對(duì)光電導(dǎo) 響應(yīng)度 2) 光電導(dǎo)增益 G 一秒鐘內(nèi)每一個(gè)吸收的光子在兩個(gè)電極之間所通過的載流子數(shù)目 載流子遷移率和壽命越長，光電導(dǎo)增益就越大樣品長度縮短也可以使光電導(dǎo)增益增大 渡越時(shí)間吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的載流子可以在電極之間多次通過，對(duì)光電導(dǎo)作出貢獻(xiàn) 比靈敏度和光電導(dǎo)增益之間的關(guān)系高靈敏度材料制成的器件光電導(dǎo)增益也高 如何提高光電導(dǎo)增益G？選用平均壽命長、遷移率大的半導(dǎo)體材料；減少電

5、極間距離；適當(dāng)加大偏壓參數(shù)選擇合適時(shí)，M值可達(dá)102量級(jí)3) 相對(duì)光電導(dǎo) 穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之比 需規(guī)定測量時(shí)所用的光強(qiáng)度用高阻材料制成光敏電阻器或在低溫下使用第四節(jié)：光電導(dǎo)與光強(qiáng)度的關(guān)系 1）雜質(zhì)光電導(dǎo)情況穩(wěn)態(tài)：暗態(tài)：A）暗態(tài)1）雜質(zhì)光電導(dǎo)情況B）光照情況下（光照較弱時(shí)）：光生非平衡載流子濃度 激發(fā)光強(qiáng)度不大時(shí)，光電響應(yīng)應(yīng)為線性的 C）光照情況下（光照較強(qiáng)時(shí)）穩(wěn)態(tài)載流子濃度方程穩(wěn)態(tài)載流子濃度光照較強(qiáng)時(shí)，光電響應(yīng)表現(xiàn)為亞線性總結(jié)：在光強(qiáng)度低時(shí)得到線性響應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)的光電響應(yīng)線性度在光強(qiáng)度高時(shí)得到較低的亞線性響應(yīng)第四節(jié)：光電導(dǎo)與光強(qiáng)度的關(guān)系（續(xù)） 2）本征光電導(dǎo)情況A）只存在非平衡載流子直接復(fù)合

6、的本征光電導(dǎo)體 載流子濃度方程（1）暗態(tài)、穩(wěn)態(tài)載流子濃度（2）激發(fā)光不太強(qiáng)時(shí)弱激發(fā)穩(wěn)態(tài)非平衡載流子濃度小信號(hào)非平衡載流子壽命 B）通過復(fù)合中心進(jìn)行間接復(fù)合 C）少數(shù)載流子被陷獲 （3）激發(fā)光很強(qiáng)時(shí)即自發(fā)產(chǎn)生率可以略去不計(jì) 穩(wěn)態(tài)方程式 可以認(rèn)為本征光電導(dǎo)體 與光強(qiáng)度成正比 穩(wěn)態(tài)載流子濃度 總結(jié)：在光強(qiáng)度低時(shí)得到線性響應(yīng)直接復(fù)合本征光電導(dǎo)的光電響應(yīng)線性度在光強(qiáng)度高時(shí)得到較低的亞線性響應(yīng)B）通過復(fù)合中心進(jìn)行間接復(fù)合的情況 （4.45）（4.46）激發(fā)光強(qiáng)度低時(shí)：線性4) 本征光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度 (1) 光生載流子的連續(xù)性方程本征半導(dǎo)體有： 4)本征光電導(dǎo)器件的性能分析(1) 光生載流子的連續(xù)性方程

7、本征半導(dǎo)體有： 本征光電導(dǎo)光生載流子變化的基本方程 （2）本征光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度穩(wěn)態(tài)情況下分兩種情況討論不考慮載流子濃度梯度及表面復(fù)合考慮載流子濃度梯度及表面復(fù)合 本征光電導(dǎo)穩(wěn)態(tài)方程4) 光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度 (a) 不考慮載流子濃度梯度及表面復(fù)合不考慮載流子的濃度梯度探測器內(nèi)各處載流子濃度是均勻的，即體激發(fā)率也是均勻的其解為光生載流子濃度與體平均激發(fā)率成正比，與載流子壽命成正比光電導(dǎo)探測器的幾何模型光電導(dǎo)探測器光生載流子的電流密度為對(duì)于本征光電導(dǎo)有：其中：故光生電流為若無信號(hào)時(shí)的電阻(暗電阻)為Rd，則開路電壓為探測器的響應(yīng)度為又：故：反射率對(duì)于本征光電導(dǎo)，其暗電阻率為故：p0:無信號(hào)照射

8、時(shí)空穴的濃度P0由兩部分構(gòu)成：熱激發(fā)和背景輻射產(chǎn)生的光生載流子下標(biāo)t：熱激發(fā)下標(biāo)b：背景輻射從而：討論響應(yīng)度與光生載流子壽命成正比響應(yīng)度與無信號(hào)時(shí)的載流子濃度成反比響應(yīng)度與外加電場成正比考慮到焦耳熱，外加電場應(yīng)有一個(gè)最佳值在滿足d1的條件下，減少探測器厚度也對(duì)提高響應(yīng)度有利減少反射，鍍增透膜也對(duì)提高響應(yīng)度有利響應(yīng)度與光電轉(zhuǎn)換量子效率成正比(b) 考慮載流子濃度梯度及表面復(fù)合體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)方程L：載流子擴(kuò)散長度邊界條件：微分方程的解為：響應(yīng)度為：要提高器件的響應(yīng)度應(yīng)盡量降低表面復(fù)合速度SV并盡可能減少d提高載流子壽命降低無信號(hào)時(shí)的載流子濃度低溫、濾除雜散光適當(dāng)提高外加電場適當(dāng)減少探測器厚度鍍增透膜提

9、高光電轉(zhuǎn)換量子效率歸納：提高光電導(dǎo)探測器響應(yīng)度的措施表面鈍化處理、光電導(dǎo)層與襯底之間過渡層5） 本征光電導(dǎo)的時(shí)間響應(yīng)光電導(dǎo)的響應(yīng)與光生載流子n（ p）成正比 1）上升情況 時(shí)光電導(dǎo)探測器的弛豫現(xiàn)象(或滯后現(xiàn)象)愈大，曲線上升愈慢2）下降情況 時(shí)愈大，曲線下降愈慢光電導(dǎo)靈敏度響應(yīng)速度5） 本征光電導(dǎo)的頻率響應(yīng)輸入交變光信號(hào)輸出交變電壓信號(hào)6）雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度入射紅外輻射的光子能量比器件材料禁帶寬度小時(shí)只能激發(fā)雜質(zhì)能級(jí)中的電子或空穴，使其電導(dǎo)率發(fā)生變化利用雜質(zhì)光電導(dǎo)制成的器件必須處于低溫工作狀態(tài)，以保證雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴基本上未電離，即處于束縛狀態(tài)，從而有較高的暗電阻。雜質(zhì)光電導(dǎo)材料的

10、吸收系數(shù)僅在10-11 cm-1在雜質(zhì)光電導(dǎo)區(qū)，紅外輻射要透入探測器很“深”的距離。當(dāng)探測器厚度不太厚時(shí)，一部分紅外輻射要透過紅外探測器雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度以n型半導(dǎo)體為例通常將展開，并略去高次項(xiàng)當(dāng)探測器的工作溫度尚未達(dá)到足夠低時(shí)影響響應(yīng)率的因素討論熱產(chǎn)生電子濃度n0t將大于背景輻射電子濃度n0b結(jié)論：可降低工作溫度使n0t和n1減小，以提高響應(yīng)度當(dāng)溫度下降到使 及 成立時(shí)溫度降低到一定程度后，再降低溫度，響應(yīng)度也不會(huì)再提高了在足夠低的工作溫度下，如果受主濃度NA遠(yuǎn)大于背景輻射產(chǎn)生的電子濃度，可以通過減小受主濃度來提高響應(yīng)度d1的條件下，響應(yīng)度與厚度無關(guān)。通常大多是想辦法通過多次全反射延長

11、光信號(hào)在探測器中的路程以增強(qiáng)器件對(duì)信號(hào)的吸收7）光譜特性可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻 在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶 2-硫化鎘多晶 3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻第六節(jié) 光電導(dǎo)材料應(yīng)滿足長波響應(yīng)的要求 1）對(duì)材料的要求：熱激發(fā)(暗發(fā)射)所形成的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲低，即暗電流應(yīng)盡可能小 熱噪聲電流應(yīng)遠(yuǎn)小于背景輻射光子噪聲電流。 高的線性吸收系數(shù)和量子效率。2）常用的光電導(dǎo)材料第七節(jié) 典型的光電導(dǎo)器件1）光敏電阻梳狀式 涂膜式 刻線式 1）光敏電阻（續(xù)）按照光譜特性及最佳工作波長范圍，分為三類：對(duì)紫外光靈敏的光敏電阻硫化鎘和硒化鎘等對(duì)可見光靈敏的光敏電阻硒化鎘、硫化鎘和硫化鉈等對(duì)紅外光靈敏的光敏電阻