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        紅外探測器的固體能帶理論分析

        [2022/1/10]

          固體能帶理論是表示固體中電子能量分布方式的一種簡便方法,扼要介紹一下這一理論,可有助于理解紅外探測器內部產生的光電效應。

          在簡單的波爾原子模型中,繞原子核旋轉的電子被限制在分立的能級上,它們各有各的軌道直徑。除非原子被激發,電子都占據著較低的能級。固體的原子靠得很近,由于量子力學的結果,單個原子的分立能級擴展成近于連續的能帶,這些能帶被電子的禁帶所隔離。最低的能帶是完全充滿的,稱為階帶。下一個較高的能帶,不管是占據或未占據有電子,都成為導帶。只有導帶中的電子對材料的電導率才有貢獻。

        紅外探測器固體能帶圖

          導電體、絕緣體和半導體有不同的能帶結構。導電體的明顯標紙是導帶沒有被電子全部占據。絕緣體的電子剛好占據了階帶中的全部能級,導帶是空的,禁帶很寬,階電子不可能或得足夠的能量升到導帶中去。

          紅外探測器廠家從電特性看,半導體的導電率介于絕緣體和金屬之間。純凈的本證半導體的禁帶相對窄一些,僅有幾分之一電子伏特,而絕緣體的禁帶是3電子伏特或更大些。因此,即使在室溫下,半導體的一些階電子也能或得足夠的能量,躍過禁帶而達到導帶。這些電子原來占據的位置成了正電荷,稱為空穴。存在電場或磁場時,空穴像電子一樣流過材料,然而兩者流動的方向相反。

          在純凈半導體中,一個電子被激發到導帶,則產生電子空穴對載流子,兩者貢獻各自的電導率。本證半導體材料有鍺單晶、硅單晶以及按化學計算比例構成的化合物。典型的光伏型本證紅外探測器有Si、Ge、GaAs、InSb、InGaAs和HgCdTe(MCT)等,光伏型本證紅外探測器有PbS、PbSe和MCT。

          截止波長再長的探測器,要求材料的禁帶寬度比本證半導體還要小。減小禁帶寬度的一般方法,是在純凈半導體中加入少量的其它雜質,稱為摻雜,所得材料稱為非本證半導體。在非本證材料中,只有一種載流子提供導電率,n型材料的載流子是電子,而p型的是空穴。

          許多紅外探測器都用鍺、硅作為非本證材料的主體材料,可表示為SiX、GeX。鍺、硅原子有4個階電子,它們和4個周圍的子構成共價鍵。如果把3個階電子的雜質原子摻到鍺中,則產生一個過剩的空穴。由于雜質能級恰好靠近主體材料階帶的頂部,所以,電子從階帶躍遷到雜質空穴,只需要很小的能力。留在階帶中的空穴稱為載流子,材料則是p型的。與此類似,如果摻入有5個或更多階電子的雜質,摻雜后稱為n型材料。n型、p型材料原則上都可用來制作紅外探測器,通常用的還是p型材料,摻入的雜質有錋、砷、鎵、鋅等。

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