半导体光电探测器中载流子输运过程研究

论文题目: 半导体光电探测器中载流子输运过程研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 马丽芹

导师: 陆启生

关键词: 半导体光电探测器,载流子输运,动态响应,混沌,等离子体

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着光电子技术和光电对抗技术的发展,激光与光电探测器的相互作用特别是光电探测器对强激光响应问题倍受人们的重视。然而已开展的工作大都集中在对各种探测器破坏阈值的测量和破坏机理的研究上。在辐照光功率密度高于探测器饱和阈值而低于其破坏阈值(中等功率的激光)的情况下,载流子的输运过程和探测器的动态响应情况究竟如何?包括激光能否诱导探测器出现混沌,对此研究甚少,而传统模型只适合弱光辐照。本文从理论和实验两方面较为系统地研究了辐照光功率密度处于上述范围内,半导体光电探测器内载流子的输运过程和探测器的非线性动态响应问题。 强激光辐照半导体探测器时既产生光电效应又产生热效应,以传统的描述半导体探测器中载流子输运的漂移—扩散模型为基础,提出了改进的漂移—扩散模型。并针对光导型和光伏型探测器建立了相应的非线性耦合方程组,通过采用恰当的计算方法,自行编制了两套能反映探测器光电特性的程序,对两种类型的探测器进行了模拟计算。 对光导型和光伏型HgCdTe探测器进行了激光辐照实验研究。首次发现了PV型HgCdTe探测器新的非线性现象—混沌现象和零压输出现象。 提出了描述半导体器件中载流子输运的新模型,可称作等离子体模型。我们把光照下的半导体看作是低温度高粒子密度的等离子体,把等离子体的观点引进来建立了光电子输运模型是我们的独立创新。依据此模型,采取合理的算法和编制相应的计算程序,对光导型探测器进行了模拟计算。 提出了光导型探测器对响应波段外激光的响应机制。当用响应波段外的激光辐照光导型探测器时,光激发热电子而导致光电导现象,当辐照光较强时,半导体温升也会造成电导率的变化。 本文开展的理论研究和实验研究皆有所创新,所建立的理论模型既适合强光辐照又适合弱光辐照。当辐照光较弱时结果与传统模型一致,当辐照光很强时,可计算出探测器的温升以推断探测器材料是否会遭遇熔化、烧蚀等破坏。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 基础理论

2．1 光电探测器概述

2．2 激光与半导体光电探测器的作用

2．2．1 非平衡载流子的产生

2．2．2 非平衡载流子的复合

2．2．3 载流子输运及连续性方程

2．3 混沌

2．3．1 混沌的概念

2．3．2 混沌的诊断与判定

2．4 小结

参考文献

第三章 光导型半导体探测器对强激光瞬态响应的研究

3．1 光导型光电探测器的工作原理

3．1．1 光电导效应

3．1．2 光导型光电探测器的工作原理

3．2 激光辐照光导型光电探测器的光学效应

3．3 光导型探测器内载流子非线性输运的理论模型

3．3．1 改进的漂移—扩散模型

3．3．2 初边值问题

3．4 数值模拟方法及模拟结果

3．4．1 热平衡载流子密度及暗电导率与温度的关系

3．4．2 激光辐照探测器的温度场计算

3．4．3 激光辐照探测器时载流子密度的计算

3．4．4 探测器电阻的瞬变行为

3．5 激光辐照PC型HgCdTe探测器的实验研究

3．5．1 实验内容

3．5．2 实验结果

3．6 理论模拟结果与实验结果、传统模型结果的比较

3．6．1 与传统模型的比较

3．6．2 与实验结果的比较

3．7 波段外激光辐照PC型探测器的反常响应机制

3．7．1 波段外激光辐照PC型HgCdTe探测器的实验现象

3．7．2 PC型探测器对波段外激光辐照的响应机制

3．8 小结

参考文献

第四章 激光辐照光伏型HgCdTe探测器的实验研究

4．1 3．8μmDF激光辐照PV型HgCdTe探测器的实验研究

4．1．1 实验装置

4．1．2 实验结果

4．2 1．319μm连续波激光辐照PV型HgCdTe探测器的实验研究

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验结果

4．3 PV型HgCdTe探测器中的混沌

4．3．1 混沌的诊断

4．3．2 PV型探测器的混沌物理机制的探讨

4．4 小结

参考文献

第五章 光伏型半导体探测器对激光瞬态响应的数值模拟

5．1 光伏型光电探测器的工作原理

5．1．1 光伏型光电探测器的能带结构

5．1．2 光生电动势的产生

5．1．3 探测器的开路电压

5．2 描述PV型探测器对激光辐照瞬态响应的模型

5．2．1 载流子输运的基本物理过程和动力学方程组

5．2．2 NP结的平衡态参数

5．2．3 初边值问题

5．3 数值计算

5．3．1 数值计算方法

5．3．2 空间步长的选取

5．3．3 边界的处理

5．4 数值模拟结果与讨论

5．4．1 数值计算结果

5．4．2 分析与讨论

5．5 小结

参考文献

第六章 半导体探测器中载流子输运的等离子体模型

6．1 载流子输运的等离子体模型

6．1．1 输运方程

6．1．2 双温模型

6．2 光导型探测器的数值模拟计算

6．2．1 方程的差分格式

6．2．2 边界的处理

6．3 计算结果与分析

6．3．1 计算结果

6．3．2 讨论

6．4 小结

参考文献

第七章 全文总结

7．1 全文总结

7．2 展望与设想

致谢

读博期间发表的主要论文

发布时间: 2005-11-07

参考文献

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• [5].二维半导体中缺陷评价方法及其物性规律的第一性原理研究[D]. 王丹.吉林大学2017
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• [7].纳米结构光电器件及其界面性质研究[D]. 陈琪.中国科学技术大学2014
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