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光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-16

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光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。光電導(dǎo)效應(yīng)是兩種內(nèi)光電效應(yīng)中的一種。所謂內(nèi)光電效應(yīng)，是指受到光照的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 R發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。其中，由于光照而引起半導(dǎo)體的電導(dǎo)率R發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)（photoconductive effects）。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。

基本信息

中文名	光電導(dǎo)效應(yīng)
外文名	photoconductive effects
別名	光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)
性質(zhì)	內(nèi)光電效應(yīng)

性質(zhì)

光電導(dǎo)效應(yīng)

某些半導(dǎo)體材料受到光照射時，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光照射到半導(dǎo)體上，價帶上的電子接受能量，使電子脫離共價鍵。當(dāng)光提供的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，在晶體中就會產(chǎn)生一個自由電子和一個空穴，這兩種載流子都參與導(dǎo)電。由光產(chǎn)生的附加電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)，也稱本征光電導(dǎo)。光能還可將雜質(zhì)能級激發(fā)產(chǎn)生附加電導(dǎo)，稱為雜質(zhì)光電導(dǎo)。利用光敏效應(yīng)可制成光敏電阻，不同波長的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只對應(yīng)于一定的光譜才具有這種效應(yīng)。對紫外光較靈敏的光敏電阻稱紫外光敏電阻，如硫化鎘和硒化鎘光敏電阻，用于探測紫外線。對可見光靈敏的光敏電阻稱可見光光敏電阻，如硒化鉈、硫化鉈，硫化鉍及鍺、硅光敏電阻，用于各種自動控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門窗，光電計算器，光電控制照明，自動安全保護(hù)等。對紅外線敏感的光敏電阻稱紅外光敏電阻，如硫化鉛，碲化鉛、硒化鉛等，用于夜間或淡霧中探測能夠輻射紅外線目標(biāo)，紅外通信，導(dǎo)彈制導(dǎo)等。

弛豫過程

光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。

對光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時，常有上升時間常數(shù)τr和下降時間常數(shù)τf來描述弛豫過程的長短。τr表示光生載流子濃度從零增長到穩(wěn)態(tài)值63%時所需的時間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時所需的時間。

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時，光生載流子濃度（對應(yīng)于輸出光電流）與光功率頻率變化的關(guān)系，是一個低通特性，說明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)：

Δn0：中頻時非平衡載流子濃度。

ω：圓頻率，

。

τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時間常數(shù)。

可見Δn隨ω增加而減小，當(dāng)

時，

，稱此時

為上限截止頻率或帶寬。

光電增益與帶寬之積為一常數(shù)，

常數(shù)。表明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。

穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)

半導(dǎo)體無光照時為暗態(tài)，此時材料具有暗電導(dǎo)；有光照時為亮態(tài)，此時具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。

暗態(tài)下

亮態(tài)下

亮態(tài)與暗態(tài)之差

Gp=Gl-Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

A：半導(dǎo)體材料橫截面面積

L：半導(dǎo)體材料長度

I：電流

U：外加電壓

G：電導(dǎo)

σ：電導(dǎo)率

Δσ：光致電導(dǎo)率的變化量

下標(biāo)d代表暗，l代表亮，p代表光。

應(yīng)用

光電導(dǎo)效應(yīng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在光電導(dǎo)材料的應(yīng)用上。光電導(dǎo)材料是一種靈敏、快速的光電器件。通過它，能靈敏、快速地將接受到的光信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號，廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個部門和社會生活的方方面面，特別是現(xiàn)代高新技術(shù)之中。

在基礎(chǔ)光電器件中的應(yīng)用

(1)在探測器中的應(yīng)用

利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的探測器稱為光電導(dǎo)探測器。作為半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)無須形成p-n結(jié)。光照越強(qiáng)，光電導(dǎo)材料的電阻率越小，故光電導(dǎo)材料又稱為光敏電阻。不含雜質(zhì)的光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測，含雜質(zhì)的光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測。

(2)在攝像管中的應(yīng)用

光電導(dǎo)材料是目前攝像管中應(yīng)用最為廣泛的光電變換材料之一。與利用外光電效應(yīng)的攝像管相比，光電導(dǎo)攝像管突出的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

通過光電導(dǎo)材料，熱像儀中的紅外光可變成可見光，即將紅外圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像，以便作戰(zhàn)人員觀察夜間戰(zhàn)場情況。這一過程分為兩步進(jìn)行：首先是使用對紅外輻射敏感的紅外光電導(dǎo)探測器，把紅外輻射信號變成電信號，該信號的大小正比于紅外輻射的強(qiáng)度；其次是通過電視顯像系統(tǒng)將電信號顯示于電視屏幕上。

熱像儀是當(dāng)代夜視技術(shù)發(fā)展的最高水平，廣泛應(yīng)用于各類紅外觀察儀、紅外熱瞄器、坦克上的潛望儀器、帶光測距機(jī)、火控系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)、分辨率高、全天候性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)導(dǎo)彈系統(tǒng)中的制導(dǎo)裝置和反導(dǎo)彈系統(tǒng)中的預(yù)警裝置

紅外光電導(dǎo)攝像管是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的眼睛。許多軍事目標(biāo)(飛機(jī)、坦克、軍艦等)都裝有大功率發(fā)動機(jī)，其動力部分是強(qiáng)大的紅外輻射源，可形成紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)控制信號。當(dāng)信號被導(dǎo)彈接受后，經(jīng)處理去驅(qū)動導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)，在紅外光電導(dǎo)攝像管的協(xié)助下，不斷矯正導(dǎo)彈的飛行方向，逼近目標(biāo)并加以摧毀。用導(dǎo)彈攔截導(dǎo)彈，關(guān)鍵在于傳感器準(zhǔn)確及時地探測、跟蹤目標(biāo)。由對紅外光響應(yīng)速度快、靈敏度高、有較高響應(yīng)率的光電導(dǎo)材料制成的紅外光電導(dǎo)探測器，可安裝在預(yù)警飛機(jī)或預(yù)警衛(wèi)星上，能準(zhǔn)確及時地探測、跟蹤敵方導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射，是反導(dǎo)彈系統(tǒng)預(yù)警裝置中的重要組成部分。紅外光電導(dǎo)制導(dǎo)、探測技術(shù)具有不易受干擾、定位準(zhǔn)確率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可探測超低空目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，但受氣象條件的影響比較大，往往要和雷達(dá)配合，以便取長補(bǔ)短。目前，許多地空導(dǎo)彈是雷達(dá))紅外雙模制導(dǎo)導(dǎo)彈。有趣的是，光電導(dǎo)效應(yīng)同樣應(yīng)用于隱身技術(shù)。

其他應(yīng)用

(1)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

在生產(chǎn)生活方面，光敏電阻可應(yīng)用在各種自動控制裝置和光檢測設(shè)備中，如生產(chǎn)線上的自動送料、自動門裝置、航標(biāo)燈、路燈、應(yīng)急自動照明、自動給水停水裝置、生產(chǎn)安全裝置、煙霧火災(zāi)報警裝置、照相機(jī)的自動調(diào)節(jié)、電子計算機(jī)的輸入設(shè)備以及醫(yī)療器械(如光電脈搏計、心電圖儀)等方面。此外，還可應(yīng)用于電子樂器、電視和其它家用電器中。

(2)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

在教育教學(xué)方面，光電導(dǎo)攝像管可廣泛地應(yīng)用于學(xué)校教育教學(xué)的監(jiān)督和管理評價工作之中。光電導(dǎo)材料應(yīng)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、投影儀，給學(xué)校的教學(xué)和人們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)和交流帶來方便。

(3)在科學(xué)研究中的應(yīng)用

在科學(xué)研究方面，利用紅外光電導(dǎo)，可以遙感物體表面溫度、無損探傷、氣象遙感、地學(xué)遙感等。

總之，光電導(dǎo)傳感和遙感技術(shù)對于自動控制、機(jī)電一體化十分重要。

光電導(dǎo)材料的應(yīng)用前景展望

探測、傳感技術(shù)的發(fā)展離不開高性能的光電器件材料。在今后一段時間內(nèi),響應(yīng)速度更快、響應(yīng)效率更好、靈敏度更高、響應(yīng)頻率更寬的高性能光電導(dǎo)材料,將是光電導(dǎo)技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。

綜上所述,人類已經(jīng)進(jìn)入信息時代,半導(dǎo)體和微電子技術(shù)無疑是信息社會的核心技術(shù)之一。展望未來,在光電子技術(shù)的革命中,光電導(dǎo)材料會在光學(xué)、集成光電子學(xué)和分子電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。在語言和圖像的識別中,在復(fù)雜情況下作出判斷的人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬人腦等方面的發(fā)展中,半導(dǎo)體微電子技術(shù)和光電子技術(shù)仍將是未來科學(xué)技術(shù)革命的主要內(nèi)容,作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)元器件,光電導(dǎo)材料將會作出巨大的貢獻(xiàn)。

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