光电导

由光照引起半导体电导率增加的现象

光吸收使半导体形成非平衡载流子，而载流子浓度的增大必须使样品电导率增大，这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导效应。本征吸收引起电导称为本征光电导。

光电导简介

当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，导致材料电导率的变化，这种现象称为光电导效应。当光子能量大于材料禁带宽度时，将价带中的电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率的变化，称为本征光电导效应；杂质半导体中，被束缚在杂质能级上未被激发的载流子吸收光子能量后，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生光生自由电子或空穴，从而引起材料电导率的变化，则称为杂质光电导效应。

可见光波长的范围为380~760 nm，由于不同光源的光子具有不同的能量，所以并不是所有的光子都能对光电导效应作出贡献。如对于本征激发，只有那些能量大于或等于禁带宽度的光子才能产生本征激发，即产生激发的光波长λ0应满足下式：

λ0=hc/Eg

式中，c为光速，h为普朗克常数，Eg为半导体禁带宽度。

将具体Eg值、普朗克常数和光速代入上式，可求出具体的λ0值，确定产生激发光的波长。对非本征光电导效应，由于不是能带间的激发，所以激发光的波长可以较长，如红外波等。本征光电导效应和非本征光电导效应可在半导体中同时存在，由上式可知，某种半导体并非对所有波长的光都能产生光电导效应，只有那些具有足够高能量波长的光照射才能使半导体中的电子或空穴被激发成为载流子，否则再强的光照射也不能使半导体产生光电导效应。

光电导探测器

利用半导体光电导效应制成的器件称作光电导器件（也称光导探测器）。这种器件的电导能够随着入射辐射变化，从而感知温度的变化。最典型的光电导探测器是光敏电阻，其工作原理如第一节光电导效应中所述。它的机理很复杂，但器件的结构却十分简单，只是在一块匀质的光电导体两端加上电极即成。

光电导探测器的原理是半导体的光电导效应，在上一节中已详细介绍。在光敏电阻两极间加上一定电压V，当光照射在光敏电阻上时，其内部被束缚的电子吸收光子能量成为自由电子，并留下空穴。光激发的电子-空穴对在外电场的作用下同时参与导电，从而改变了光敏电阻的导电性能。随着发光强度的增加，其导电性能变好，即光敏电阻的电导率增加，流过其内的电流（光电流）增加。其本身的电阻值减小。随着发光强度的减小，其导电性能变坏，即光敏电阻的电导率减小，流过其内的电流（光电流）减小，其本身的电阻值增加根据热平衡状态下半导体电导率公式，可推算出在光辐射作用下产生的光电流为：

式中，qN为光电子形成的内部电流；V为光敏电阻两端的电压；L为光电导体的长度；τn、τp为光辐射下每单位时间内产生N个电子-空穴对的各自寿命；μn、μp别为电子和空穴的迁移率。

由此可见，光敏电阻的光电流与入射的光子数、量子效率和光电导体长度L以及加在其两端的电压大小等因素有关。其电流大小与L的二次方成反比，因此在设计光敏电阻时，常设法将L减小，使光电流增大。

光电导材料

半导体受光照而引起电导率的改变，最早是1873年W.史密斯在硒上发现的，20世纪的前40年内，又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等材料中发现，并利用该现象制成几种可用作光强测量及自动控制的光电管。自20世纪40年代开始，由于半导体物理学的发展，各种半导体的光电导得到了充分研究，并由此发展了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。

半导体的光电导是指光照射到半导体时产生电子的跃迁，引起半导体电导率改变的现象。导致光电导现象最基本的物理过程是通过光激发，在半导体中产生自由载流子，根据自由载流子的来源，光电导效应可分为本征光电导和杂质光电导两种。

对于本征半导体，当处于热平衡状态时，有确定的载流子浓度，称为平衡载流子浓度，如果入射光子能量大于半导体禁带宽度，价带顶的电子就跃迁到导带，同时在价带中形成空穴，产生非平衡附加载流子，这种光电导效应称为本征光电导效应。由于非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导。

如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分，而亮电流与暗电流之差称为光电流。对掺杂半导体，除上述本征效应外，还可产生电子从禁带中的施主能级激发到导带和空穴从受主能级激发到价带的跃迁，从而也产生非平衡附加载流子，此过程称为杂质光电导效应。

光电导材料从光照射到表面的瞬间开始，能带中的载流子浓度将不断增加。但随着载流子的增加，复合的机会也增多，经过一段时间后，就会达到载流子因光激发而增加的速率与因复合而消失的速率相等的稳定状态。同样光照停止后，光电流也会逐渐消失，这些现象称为弛豫过程或惰性。光电导材料受矩形脉冲光照时，常用上升时间常数τ1和下降时间常数τ2来描述弛豫过程的长短。τ1表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需要的时间τ2表示从停止光照前稳态值衰减到37%时所需要的时间。在这一寿命时间内，光生载流子可在内场、外场或浓度梯度场等的影响下运动，从而观察到各种不同的和光电导过程有关的光电效应。例如在外电场和均匀材料情况下，用适当的电子线路可以测量光生载流子所输出的光电流，该效应为光电导效应，可以用来制造光敏电阻，实现各种自动控制，CdS和CdSe是烧结型光敏电阻用光电导陶瓷材料；在P-N结和无外电场情况下，则观察到光伏效应，可制造太阳能电池，解决人类面临的能源危机，Ⅱ-Ⅵ族（CdS、CdTe）、III-V（GaAs、InP）及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族（CulnSe2、CuInS2）常用作薄膜型太阳能电池用光电导陶瓷材料。

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