固态光电传感器简介

本节不详细介绍半导体物理学,只是简要回顾固态光电传导的基本原理,并对一些重要的名词术语进行介绍和定义。关于这一问题的经典和非常全面的参考资料是参考文献[517],更好的参考是参考文献[597,500]。

量子力学表明,束缚于一个孤立原子核的电子只能占据离散的能级,能级之间为禁带。当许多原子形成晶体,这些离散能级不断扩大,形成连续的能带,能带之间仍有禁带。当温度为0K时,最低能带并没有被完全占据,所有较高能带被称为导带。所有较低能带完全被电子填充,称为价带。在电导体中,最低导带被部分占据,而绝缘体和半导体的导带在0K时是空的。

最高价带和最低导带之间的间隔就是我们所说的带隙能量E_g,它在物质的分类以及在辐射探测器的应用方面发挥着重要的作用。绝缘体材料中的E_g明显大于半导体材料中的。

电导体中,带负电荷的电子是唯一有效的电荷载体。一个半导体晶体,当温度上升至0K以上时,价带电子获得足够的能量,从价带跳转至导带。价带中获释的位置可以被认为带正电,称为空穴。无论是导带电子还是价带空穴都有助于提高导电性,使在半导体中有电荷传输。实际上空穴不运动。然而,移动的电子可以填充一个空穴,而在晶格里,它移走的位置却变成了一个空穴。所以空穴变换自己的位置,看起来好像是带正电荷的粒子在运动。

当电场E作用于半导体时,带电电荷受到的力为|qE|,其中q是基本电荷。由于电磁场E的作用,半导体中载流子的平均速度取决于载流子迁移率μ、物质常数、电场：|v|=μ|E|。空穴的迁移率μ_p通常比电子的迁移率μ_n要小。(www.xing528.com)

没有杂质的半导体晶体被称为本征半导体。如上所述,本征半导体内的电荷载流子对是通过热激发而产生的。因此,移动电荷载流子的数目取决于温度。空穴和电子的数目相等。例如,硅中的本征载流子在300K时浓度为1.45×10¹⁰cm^-3。

半导体的导电性可以通过添加杂质到晶格结构中进行改善。控制添加杂质到半导体的过程称为掺杂。掺杂的半导体通常称为非本征半导体。通过为纯半导体添加杂质来增加电子或空穴的数目,其电导率的提高不仅取决于添加杂质的多少,而且还取决于杂质原子的种类。因此,非本征半导体中电子和空穴的数目不再相等。所以我们可以制造两种类型的掺杂半导体,即n型,大量的电子作为载流子;p型,有较多的空穴。半导体材料中的主要载体就是所谓的多数载流子,其余是少数载流子。两种类型的半导体可以结合起来,实现一定的功能或特点。最简单的例子是二极管p-n结。

除了通过热能,电子也可以被高能粒子激发到导带,例如被半导体材料吸收的光子。这个过程可以生成电子—空穴对。光子触发带间跃迁的最小能量等于带隙能量E_g。在缺乏电场的情况下分离电荷载流子,电子—空穴对在经过一段平均时间（载流子寿命）后重组,并将先前吸收的能量以光或热的形式进行辐射。为了检测和利用光信号,必须阻止由光子生成的自由载流子重组,并对它们进行收集。这样一来,通过撞击辐射产生的电荷载流子就可以转变成电信号,因此半导体晶体常用作辐射检测器。