光生伏特效应

§2.4 光电效应
四、光电导效应
导体材料:电阻率，电导率一般为常数；
半导体材料：电阻率，电导率一般不再是常数。
1、定义： 半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导 体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。 光电导现象——半导体材料的“体”效应
§2.4 光电效应
典型的光电导器件：光敏电阻 光电导器件可用于各种 自动控制系统，如光电 自动开关门窗、光电计
是禁带宽度
是杂质能带宽度
1.24 Ei (eV )
( 杂质)
Ei
§2.4 光电效应
2、光电系统基本模型
(1)无光照时，半导体材料在常温下具有一定的热激 发载流子浓度，材料处于暗态，具有暗电导
本征半导体样品
L
S Gd d L
A
其中，G为样品的电导率，下标 d代 表暗态；为半导体材料的电导率 ； S为样品横截面的面积； L为样品的 长度。电导单位为西门 子s。
U
无光照时，给样品施加 电压U，通过的电流为暗电流 ： SU I d Gd U d L
§2.4 光电效应
光
本征半导体样品 S
L A
(2)有光照时，样品吸收光子 能量产生光生载流子，材料处于 亮态，具有亮电导
亮电导 Gl l S L
对应的电流为亮电流
U
SU I l Gl U l L
一、光子效应和光热效应
光子效应(photonic effect )
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光 电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电 子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改 变。 利用光子效应进行探测的器件称为光子探测器
特点来自百度文库
•对光波频率表现出选择性 •光子探测器响应速度一般比较快
§2.4 光电效应
二、光子效应类型
• 外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的 现象，其多发生于金属&金属氧化物
光电发射效应、光电倍增效应
• 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子 只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象， 其多发生于半导体内。
光电导效应、光生伏特效应、光电磁等
§2.4 光电效应
三、光电发射效应 • 光电发射效应
1905年德国物理学家爱因斯 坦用光量子学说解释了光电 发射效应，获得1921年诺贝 尔物理学奖。
§2.4 光电效应
三、光电发射效应
在光照下，物体向表面以外的空间 发射电子（即光电子）的现象。
光电发射体
能产生光电发射效应的物体，在光电 管中又称为光电阴极。 爱因斯坦方程 Ek h E
§2.4 光电效应
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。 3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得
整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，
造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电 器件宽。
(3)光电导：G p Gl Gd SU 光电流：I p I l I d L 其中，为光致电导率的变化量。
•响应速度一般比较慢。
在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测。
§2.4 光电效应
光电器件特点：
光子器件 热电器件
响应波长无选择性，对可见 响应波长有选择性，一般有截止波长， 光到远红外的各种波长的辐 超过该波长，器件无响应。 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时 间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒
光电探测器 光辐射量
物理基础
电量、 热量等
光电效应
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。
§2.4 光电效应
光电效应类型：
光电效应
光子效应
光热效应
外光电效应 光电发射效应 光电倍增效应
内光电效应 光电导效应 光伏效应 光电磁效应 丹培效应
温差电效益 热释电效应
§2.4 光电效应
§2.4 光电效应 光热效应(photothermal effect )
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状 态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起 探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性 质或其他物理性质发生变化。
例如：家庭式热释电红外探测器
特点
•原则上对光波频率没有选择性
hc 1.24 c ( m) E E (eV )
§2.4 光电效应
光电发射器件的特点： 1. 光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。
数器、光电控制照明、
自动安全保护等，用于 夜间或淡雾中探测红外 线目标，红外通信、导 弹制导等。
§2.4 光电效应
本征半导体&杂志半导体都能产生光电导效应，当光 子能量大时，易于产生本征光电导；当光子能量小时， 易于发生杂质光电导。
1.24 (m) c Eg (eV )
( 本征)
Eg
第二章 光电检测技术基础
应用物理系
第二章 光电检测技术基础
教学内容： 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量
2.3 半导体基础知识
2.4 光电效应
思
考
1、在远离家时如何防盗并报警？
2、在太空中靠什么拍摄出清晰图片？ 3、在大型石化工厂中如何发现险情并及时处理？
§2.4 光电效应
光电检测器件：对各种光辐射进行接收和探测的器件
1 E k mv 2 0 2
E ：光电发射体的功函数
电子离开发射体表面时的动能
§2.4 光电效应
截止（红限）频率

E h
c
截止（红限）波长
h 6.6 1034 J s 4.131015 eV s c 3 1014 m / s 3 1017 nm / s
光电探测器件
热电探测元件 光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管 像增强器 摄像管 变像管
光电导探测器
光磁电探测器
光生伏特探测器
本征型
掺杂型
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光敏电阻 红外探测器
§2.4 光电效应