固体电子学光电效应.ppt

固体电子学光电效应;内容;外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定： ; 所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。;式中：m——电子质量； v0——电子逸出速度。 ;;; 内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类： （1） 光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 （2） 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 ;光敏电阻 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 ;光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图;光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线???用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。;;;;;;;;;硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路 ;; 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在附近，硒光电池在附近。硅光电池的光谱响应波长范围为，而硒光电池只能为。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 ;MOS电容器 （a） MOS电容截面； （b） 势阱图 ; CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器， 这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层， 并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求。;工作原理 CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式： 光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时， 接收的是光信号， 即光信号注入。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中， 形成信号电荷， 并存储起来。 存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度， 实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。;CCD固态图像传感器 电荷耦合器件用于固态图像传感器中， 作为摄像或像敏的器件。 CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件， 光敏单元简称“像素”。 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，