授教案 第五章光锅射的探测 第五章光辐射的探测 §5-1物质中的光吸收 一、本征吸收 半导体中的本征吸收：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带。主要发生在价 带顶部和导带底部之间。 条件：m之Eg=ho 复该长张微题。人=E在Em 1.直接跃迁 波矢为k的电子吸收光子后跃迁到波矢为'的状态时，k和k'的关系为 hMk-k)=光子动量 (5.1) 由于光子动量与能带中电子动量相比很小，上式可近似为'=k。 准动量守恒：即电子吸收能量后动量基本保持不变。 直接跃迁：在E(k)曲线中，电子动量基本保持不变。表现为电子跃迁前后状 态在同一垂线上，也称垂直跃迁。 E(k) E B h hvo E A 图5.1电子的直接跃迁 直接带隙半导体：导带极小值与价带极大值对应相同的波矢。该类半导体受 光照射后电子跃迁几率较大，如GaAs,lnSb。 2.间接跃迁
授课教案 第五章 光辐射的探测 第五章 光辐射的探测 §5-1 物质中的光吸收 一、本征吸收 半导体中的本征吸收：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带。主要发生在价 带顶部和导带底部之间。 条件： g =≥ hvEhv 0 截止波长（长波限）： )( )( 24.1 )( 0 m eVEeVE hc g g λ == μ 1. 直接跃迁 波矢为k 的电子吸收光子后跃迁到波矢为k′的状态时， 和 的关系为 k k′ ′ − kkh )( = 光子动量 （5.1） 由于光子动量与能带中电子动量相比很小，上式可近似为 ′ = kk 。 准动量守恒：即电子吸收能量后动量基本保持不变。 直接跃迁：在 曲线中，电子动量基本保持不变。表现为电子跃迁前后状 态在同一垂线上，也称垂直跃迁。 kE )( 图 5.1 电子的直接跃迁 直接带隙半导体：导带极小值与价带极大值对应相同的波矢。该类半导体受 光照射后电子跃迁几率较大，如 GaAs,InSb。 2. 间接跃迁 1
授课教案 第五章光辐射的探测 E(k) 0 间接跃 图5.2直接跃迁和间接跃迁比较 间接跃迁：导带最低能量状态与价带最高能量状态的k值不相等，本征吸收的长 波限不是对应于k空间原点的直接跃迁，而是对应于间接跃迁，即在 跃迁过程中动量发生变化。如Si,Ge。 要实现这种跃迁，除吸收光子外，还有借助于声子，可发射声子也可吸收声子。 Ek) 发射声子 吸收声子 图5.3有声子参与的吸收过程 二、晶格振动吸收 在10m~100m的红外波段，所有固体都具有一个因光子和品格振动相互 作用而引起的吸收区域。 晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按波的叠加原理组合而成，这 些基本波称为格波。频率为。的格波具有量子化的能量： En=(n+1/2)hmm,n=0,1,2.. 当晶格和其它物质（电子、光子等）相互作用发生能量交换时，晶格原子的 振动状态发生改变，格波能量随之变化，其改变量只能是m的整数倍，m称 为声子。晶格能量的改变可看作吸收或发射声子的过程。 三、自由载流子的光吸收
授课教案 第五章 光辐射的探测 图 5.2 直接跃迁和间接跃迁比较 间接跃迁：导带最低能量状态与价带最高能量状态的 值不相等，本征吸收的长 波限不是对应于k 空间原点的直接跃迁，而是对应于间接跃迁，即在 跃迁过程中动量发生变化。如 Si,Ge。 k 要实现这种跃迁，除吸收光子外，还有借助于声子，可发射声子也可吸收声子。 图 5.3 有声子参与的吸收过程 二、晶格振动吸收 在 μ 100~10 μmm 的红外波段，所有固体都具有一个因光子和晶格振动相互 作用而引起的吸收区域。 晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按波的叠加原理组合而成，这 些基本波称为 格 波 。频率为 va 的格波具有量子化的能量： a += a nhvnE = 2,1,0,)21( K。 当晶格和其它物质（电子、光子等）相互作用发生能量交换时，晶格原子的 振动状态发生改变，格波能量随之变化，其改变量只能是 的整数倍， 称 为声子。晶格能量的改变可看作吸收或发射声子的过程。 hva hva 三、自由载流子的光吸收 2
授误教案 第五章光锅射的探测 自由载流子的光吸收：当入射光（主要是红外波段）能量较低时，导带中的电子 或价带中的空穴吸收光子后，引起载流子在能带内的跃迁。 图54自由载流子的吸收 四、激子吸收 光子能量小于E。时，价带中的电子虽跃出价带，但无足够的能量到达导带， 而仍然受到空穴的库仑作用力不能成为自由电子。此时受激电子与价带中的空穴 相互束缚组成一个新系统：电子与空穴没有完全分离，也没有完全复合。这种束 缚状态称为激子。这种激子能够在半导体中运动，也称为自由激子。 激子吸收谱主要位于本征吸收的长波限附近。 五、杂质吸收 杂质能级通常位于禁带中，是在离导带不远（施主能级）或离价带不远（受 主能级)的位置。 光照射到晶体上，杂质能级也可能参与光吸收过程，电子吸收光子跃迁到导 带，或电子离开价带跃迁到杂质能级，这类吸收称为杂质吸收。 §5-2光探测的基本物理效应 光子效应：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的大小。对光波颜率具 有选择性，响应速度快。 光热效应：探测器将吸收的光辐射能量转变为晶格热运动能量，引起元件温度上 升，致使探测元件的电学或其它物理性质发生变化。对光波频率无选 择性，响应速度慢
授课教案 第五章 光辐射的探测 自由载流子的光吸收：当入射光（主要是红外波段）能量较低时，导带中的电子 或价带中的空穴吸收光子后，引起载流子在能带内的跃迁。 图 5.4 自由载流子的吸收 四、激子吸收 光子能量小于 时，价带中的电子虽跃出价带，但无足够的能量到达导带， 而仍然受到空穴的库仑作用力不能成为自由电子。此时受激电子与价带中的空穴 相互束缚组成一个新系统：电子与空穴没有完全分离，也没有完全复合。这种束 缚状态称为激子。这种激子能够在半导体中运动，也称为自由激子。 Eg 激子吸收谱主要位于本征吸收的长波限附近。 五、杂质吸收 杂质能级通常位于禁带中，是在离导带不远（施主能级）或离价带不远（受 主能级）的位置。 光照射到晶体上，杂质能级也可能参与光吸收过程，电子吸收光子跃迁到导 带，或电子离开价带跃迁到杂质能级，这类吸收称为杂质吸收。 §5-2 光探测的基本物理效应 光子效应：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的大小。对光波频率具 有选择性，响应速度快。 光热效应：探测器将吸收的光辐射能量转变为晶格热运动能量，引起元件温度上 升，致使探测元件的电学或其它物理性质发生变化。对光波频率无选 择性，响应速度慢。 3
授课教案 第五章光辐射的探测 光子探测器 热探测器 图5.5理想探测器的光谱响应 一、光子效应 1.外光电效应（光电发射效应） 响应范围：可见光波段 响应时间：102s 光电子 导带 E E1 7777 真空 价带空穴 半导体 图5.6半导体能带和光电发射示意图 (①)光子被材料吸收 电子被激发后的能量必须高于真空能级E才有可能最终逸出表面。 本征发射体：由本征半导体吸收光子而产生光电子的发射体 (锑铯光电阴极，锑钾钠铯光电阴极) 杂质发射体：由杂质吸收造成的光电子发射体。（银氧铯光电阴极） (2)光电子向材料表面运动 光子照射到物质表面并渗透到一定深度，在此范围内被吸收，电子跃迁 至高能态
授课教案 第五章 光辐射的探测 图 5.5 理想探测器的光谱响应 一、光子效应 1. 外光电效应（光电发射效应） 响应范围：可见光波段 响应时间：10-12 s 图 5.6 半导体能带和光电发射示意图 (1)光子被材料吸收 电子被激发后的能量必须高于真空能级E0才有可能最终逸出表面。 本征发射体：由本征半导体吸收光子而产生光电子的发射体。 （锑铯光电阴极，锑钾钠铯光电阴极） 杂质发射体：由杂质吸收造成的光电子发射体。（银氧铯光电阴极） （2）光电子向材料表面运动 光子照射到物质表面并渗透到一定深度，在此范围内被吸收，电子跃迁 至高能态。 4
授教案 第五章光锅射的探测 被激发电子在向界面运动过程中，光电子能量主要通过两种方式损失： 晶格散射和与价带电子碰撞。 (3)光电子逸出界面 电子亲和势x: X=E。-E (5.2) 正电子亲和势光电阴极：E。>E。 负电子亲和势光电阴极：E。<E。,如重掺杂P型材料。 配建安的 E 逸出深度 (a) (b) 图5.7普通光电阴极和负电子亲和势光电阴极的能带 光电转换基本定律： (1)爱因斯坦定律 m-wv-W (5.3) (2)斯托列托夫定律 (5.4) 2.内光电效应 (1)光电导效应 图5.8光电导效应原理图
授课教案 第五章 光辐射的探测 被激发电子在向界面运动过程中，光电子能量主要通过两种方式损失： 晶格散射和与价带电子碰撞。 （3）光电子逸出界面 电子亲和势 χ ： χ = 0 − EE c （5.2） 正电子亲和势光电阴极： 0 > EE c 负电子亲和势光电阴极： 0 < EE c ，如重掺杂 P 型材料。 图 5.7 普通光电阴极和负电子亲和势光电阴极的能带 光电转换基本定律： （1） 爱因斯坦定律 −= Whvmv 2 max 2 1 （5.3） （2） 斯托列托夫定律 = SI ΦVKK （5.4） 2. 内光电效应 （1） 光电导效应 图 5.8 光电导效应原理图 5