东华大学出版社：《光电信息技术》教材电子教案（PPT课件讲稿）第一章光电信息技术物理基础 1.1.3光电导效应

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理论基础光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发第现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应第电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。章光电信息节入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙△E光光(禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离),也就是光电导有电导一个最大的响应波长,称为光电导的长波限λc,若λc以效um计,△E以eV计,则λc与△E的关系为 λc=124/△E 技术物理基础就光电器件而言,最重要的参数是灵敏度,弛豫时间和光谱基分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数

第一章光电信息技术物理基础 1 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 ΔE (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λC ，若λC 以 μm 计，ΔE 以eV 计，则λC与ΔE的关系为 λC = 1.24 / ΔE 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。上一节

理论基础 6电导体的灵敏度灵敏度通常指的是在一定条件下,单位照度所引起的光电流。第由于各种器件使用的范围及条件不一致,因此灵敏度有各种不第同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强节弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照即定态条件下电子与光光空穴的产生率与复合率相等可推导出章光电信息电 G=βτ/t 导式中β为量子产额,即吸收一个光子所产生的电子空穴对数;τ技效为光生载流子寿命;t为载流子在光电导两极间的渡越时间,一术应般有 /HE =|/HU 理将式(1)代入式(2)可得基 G=βuU/2 上团回下回写 2

第一章光电信息技术物理基础 2 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录一、光电导体的灵敏度灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出： G = βτ/ tL ：（1）式中β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；τ 为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有 tL = l /μE = l2 /μU （2）将式（1）代入式（2）可得 G = βτμU/l2

理论基础式中为光电导体两极间距;p为迁移率;E为两极间的电场强度第第:U为外加电源电压。可知,光电导体的非平衡裁流子寿命越章长,迁移率μ越大。光电导体的灵敏度(光电流或光电增益)就节越高。而且,光电导体的灵敏度还与电极间距的平方成反比米电光如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电,那么,光电增信电益的表达式为效 G=βτnn+儿/2 子和空穴的迁移率技术物理基础应式中和分别为自由电子和空穴的寿命;和μ分别为自由电物上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 3 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录式中l为光电导体两极间距；μ为迁移率；E为两极间的电场强度；U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命τ越长，迁移率μ越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距l的平方成反比。如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为 G = β(τnμn +τpμp )U/l2 式中τn和τp分别为自由电子和空穴的寿命；μn和μp分别为自由电子和空穴的迁移率

理论基础二、光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应,因此有一定的弛豫现象:光照菊第射到样品后,光电导逐渐增加,最后达到定态。光照停止, 章光电导在一段时间内逐渐消失。这种现象表现了光电导对光节强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间,老电光或称为响应时间。显然,弛豫时间长,表示光电导反应慢, 电这时称为惯性大:弛豫时间短,即光电导反映快,称为惯性效小。从实际应用讲,光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强应下,一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来信息技术物理看,弛豫现象表现为在光强变化时,光生载流子的积累和消失的过程。因此,要讨论弛豫现象,必须研究光生载流子的基产生和复合。上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 4 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录二、光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内逐渐消失。这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称为惯性大；弛豫时间短，即光电导反映快，称为惯性小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生和复合

理论基础在分析定态光电导和光强之间的关系时,通常讨论下面的两第种情况: 第1、直线性光电导的弛豫过程(即光电导与光强呈线性关系)章对直线性光电导材料而言,在光强照射下,增加的电子密度节△n(或空穴密度△p)与光强关系可表示为光电光 An=al 导τ,这时,对直线性光电导可得: 效信息技术电在定态的情况下,如果光生载流子有确定的复合几率或寿命息 △n/ aβ 应式中是以光子计算的入射光强(即单位时间内通过单位面积物的光子数);a为光电导体对光的吸收系数。由此可知,光生理载流子的密度与光强成正比,电导率的增量与光强也成正比。基上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 5 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况： 1、直线性光电导的弛豫过程（即光电导与光强呈线性关系）对直线性光电导材料而言，在光强照射下，增加的电子密度 Δn（或空穴密度Δp）与光强I的关系可表示为 Δn =αI 在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命 τ，这时，对直线性光电导可得： Δn/τ=Inαβ 式中In是以光子计算的入射光强（即单位时间内通过单位面积的光子数）；α为光电导体对光的吸收系数。由此可知，光生载流子的密度与光强成正比，电导率的增量与光强也成正比

理论基础在直线性光电导中,恒定光照下决定光电导上升规律的微分第方程。M d△)/dh=1aB2 章第三节光电导效根据上式的初始条件t=0时,△n=0,则方程的解为光电 △n=tnB(1-e) 取消光照后,决定光电导下降的微分方程为 △n d(△n)/at 信息技术设光照停止时(t=0),△n具有式(1.1-10)所示的定态理值△n=InaBτ,则上式的解为基 △n=τInCe 上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 6 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录在直线性光电导中，恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程根据上式的初始条件t = 0时，Δn = 0，则方程的解为取消光照后，决定光电导下降的微分方程为设光照停止时（t = 0），Δn具有式（1.1-10）所示的定态值Δn = Inαβτ，则上式的解为

理论基础所以直线性光电导上升和下降曲线如图1.1.3-1所示。第第从上面分析可以看到,在直线性光电导的弛豫中,章节3 光电流都按指数规律上升光光和下降。在t=τ时,光电电电流上升到饱和值的(1信 1/e),或下降到饱和值技中十中的M升和降是对时间(单位r) 的弛豫时间。显然,直线理性光电导的弛豫时间与光基图1.1.3-1直线性光电导上升和下降曲线强无关上团回下回写 7

第一章光电信息技术物理基础 7 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录所以直线性光电导上升和下降曲线如图1.1.3-1所示。从上面分析可以看到，在直线性光电导的弛豫中，光电流都按指数规律上升和下降。在t =τ时，光电流上升到饱和值的（1- 1/e），或下降到饱和值的1/e，上升和下降是对称的。因此定义为光电流的弛豫时间。显然，直线性光电导的弛豫时间与光强无关。图1.1.3-1直线性光电导上升和下降曲线

理论基础 2、抛物线性光电导的弛豫过程(光电导与光强的平方根成正比)第对抛物线性光电导材料,△n(或△p)与光强I的关系可表示第为 △n=aI 章同时,必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比,即光节光电导复合率=b(△n)2 电式中b为比例系数,这时的定态条件为 b(△n)2=InaB 根成比例。在抛物线性光电导中,决定光电导上升的微分方程为 d()/d=lnaB-b(△)2 信息技术物理基础8 效由此可见,光生载流子密度以及电导率的增量均与光强的平方术上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 8 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录 2、抛物线性光电导的弛豫过程（光电导与光强的平方根成正比）对抛物线性光电导材料，Δn（或Δp）与光强I的关系可表示为同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比，即复合率 = b（Δn）2 式中b为比例系数，这时的定态条件为由此可见，光生载流子密度以及电导率的增量均与光强的平方根成比例。在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为

理论基础利用初始条件t=0时,Δn=0,可得式(1.1-18)的解为第第 An=(L,a B/b)tanh(, a Bb)2t 章方光照取消后,决定光电导下降的微分方程为光 d(△n)/at b(△n)2 电光利用初始条件t=0时,,从式(1.1-20)可得解为电效 b1+(L, aB b) 抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图1.1.3-2所示。下信息技术物理基础降曲线是以横轴为渐进线的一条双曲线,因此称这样的下降基规律为双曲线性衰减。上团回下回写

第一章光电信息技术物理基础 9 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录利用初始条件t = 0时，Δn = 0，可得式（1.1-18）的解为光照取消后，决定光电导下降的微分方程为利用初始条件t=0时，，从式（1.1-20）可得解为抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图1.1.3-2所示。下降曲线是以横轴为渐进线的一条双曲线，因此称这样的下降规律为双曲线性衰减

理论基础在非线性光电导情况下,光第电导的弛豫现象取决于复杂的复合机理,并且上升和下章第三节光电导效应降都不对称,我们可以用光电 1, ab b 来表示弛豫时间。光照开始上“升下降后,经过这段时间,光电导技增加到定态值的tanh1 时间单位(LB) 0.75。而光照停止后,光物图1.1.3-2抛物线性光电导的上升电导在这段时间内减少到定术物理基础和下降的曲线态值的一半。上团回下回写 10

第一章光电信息技术物理基础 10 第三节光电导效应第一章上一页回首页下一页回末页结束回目录在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象取决于复杂的复合机理，并且上升和下降都不对称，我们可以用来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值的tanh 1 = 0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。图1.1.3-2抛物线性光电导的上升和下降的曲线

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