第3章探测器的基本原理

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1、光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的理论基础简介简介 光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可光辐射探测器是一种由入射光辐射引起可度量物理效应的器件。探测器分类：度量物理效应的器件。探测器分类： 光电探测器光电探测器 真空光电器件：真空光电器件：光电管、光电倍增管、 真空摄像管、变像管、象增强器。 固体光电器件固体光电器件：光敏电阻、光电池等等 热探测器热探测器： 热电偶热电堆、热释电探测器热电偶热电堆、热释电探测器等等等等3.1 3.1 半导体基础半导体基础回忆回忆. 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体 金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体

2、：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。一、半导体的结构一、半导体的结构 电子器件所用的半导体具有晶体结构，电子器件所用的半导体具有晶体结构，大多数是晶体材料。大多数是晶体材料。 晶体分为晶体分为单晶单晶和和多晶多晶。单晶：单晶：在一块材料中原子全部按照有规则的周在一块材料中原子全部按照有规则的周期性排列，这种晶

3、体成为单晶。期性排列，这种晶体成为单晶。多晶：多晶：只在很小范围内原子有规则的排列，形只在很小范围内原子有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开，这种材料称为多晶。界隔开，这种材料称为多晶。1 1、电子的共有化运动、电子的共有化运动 在孤立原子中电子遵守在孤立原子中电子遵守泡利不相容原理泡利不相容原理能量最低原理。能量最低原理。泡利不相容原理：泡利不相容原理：原子中同一能级的核外电子原子中同一能级的核外电子轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电轨道中只能容纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是子层中可能容纳轨道数是n n2

4、 2个、每层最多容纳个、每层最多容纳电子数是电子数是2n2n2 2 。能量最低原理：能量最低原理：核外电子总是先占有能量最低核外电子总是先占有能量最低的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才的轨道，只有能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。依次进入能量较高的轨道。 在半导体中，原子之间距离很近，使原子在半导体中，原子之间距离很近，使原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。以的各个壳层之间有不同程度的交叠。以硅和锗的共价键结构为例：硅和锗的共价键结构为例：电子共有化运动的过程 壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它壳层的交叠使原子不再局限于某一个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳

5、层上去，也可能从相可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这样原子有可邻原子运动到更远的原子壳层上去，这样原子有可能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为能在整个晶体中运动，晶体中电子的这种运动称为电子的电子的共有化运动共有化运动。共有化运动只能共有化运动只能在原子中相似的在原子中相似的壳层间进行壳层间进行2 2、能带结构、能带结构(energy band)(energy band) 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级原来孤立原

6、子的每一个能级, ,变成了变成了N N条靠条靠得很近的能级得很近的能级, ,称为能带。称为能带。能带的宽度记作能带的宽度记作 E ，数量级，数量级为为 EeV。 若若N1023,则能带中两能级的则能带中两能级的间距约间距约10-23eV。一般规律：一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽， E 越大。越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E 越大。越大。 3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图原子能级分裂成能带的示意图1.1.满带满带：能带中各能级都被电子填满。：能带中各能级

7、都被电子填满。满带中的电子不能起导电作用满带中的电子不能起导电作用 晶体加外电场时，电子只能在带内不同能晶体加外电场时，电子只能在带内不同能级间交换，不能改变电子在能带中的总体级间交换，不能改变电子在能带中的总体分布。分布。满带中的电子由原占据的能级向带内任一满带中的电子由原占据的能级向带内任一能级转移时，必有电子沿相反方向转换，能级转移时，必有电子沿相反方向转换，因此，不会产生定向电流，不能起导电作因此，不会产生定向电流，不能起导电作用。用。2.2.空带空带：所有能级均未被电子填充的能带。所有能级均未被电子填充的能带。由原子的激发态能级分裂而成，正常情由原子的激发态能级分裂而成，正常情况下空

8、着；况下空着；当有激发因素当有激发因素( (热激发、光激发热激发、光激发) )时，价时，价带中的电子可被激发进入空带；带中的电子可被激发进入空带；在外电场作用下，这些电子的转移可形在外电场作用下，这些电子的转移可形成电流。所以，空带也是导带。成电流。所以，空带也是导带。3.3.导带导带：被电子部分填充的能带。被电子部分填充的能带。在外电场作用下，电子可向带内未被填在外电场作用下，电子可向带内未被填充的高能级转移，因而可形成电流。充的高能级转移，因而可形成电流。 价带价带：价电子能级分裂后形成的能带。价电子能级分裂后形成的能带。 有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带是导带；有的晶体的价带也可能是

9、满带。有的晶体的价带也可能是满带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。 4.4.禁带禁带：在能带之间的能量间隙区，电子：在能带之间的能量间隙区，电子不能填充。不能填充。禁带的宽度对晶体的禁带的宽度对晶体的导电性有重要的作用。导电性有重要的作用。若上下能带重叠，其若上下能带重叠，其间禁带就不存在。间禁带就不存在。 满带满带 空带空带 禁带禁带E允带：允带：允许被电子占据的能带称为允带。允许被电子占据的能带称为允带。禁带：禁带：允带之间的范围是不允许电子占据的，允带之间的范围是不允许电子占据的，这个范围称为禁带。这个范围称为禁带。满带：满带：被电子占满的允带称为满带。满带不导被

10、电子占满的允带称为满带。满带不导电。电。价带：价带：晶体最外层电子壳层分裂成的能带。晶体最外层电子壳层分裂成的能带。价电子：价电子：原子中最外层的电子。原子中最外层的电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。（1） 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。

11、制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本