第二讲 光 电 检 测 技 术
基础 (Ⅱ )
李 孝 禄
前 言
本次课程介绍：
1.半导体物理基础 。 包括半导体的特性, 能
带理论, 载流子及运动, 载流子对光的吸收, 半
导体的 PN结及与金属的接触 。
2.光电效应 。 光电器件依据的物理基础主要
是固体的光电效应, 就是固体中决定其电学性质
的电子系统 直接 吸收入射光能, 使固体的电学性
质发生改变的现象 。 例如：光电子发射效应, 光
电导效应, 光生伏特效应等 。
你知道吗？
光电器件的主要用途：
（ 1） 用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强
弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。
（ 2） 在自动控制中作为光电转换器, 主要考虑的是
光电转换效能 。
其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的
太阳能电池 。
第四节 半导体物理基础
一、半导体的特性
电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。
导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化。
导电能力和性质受外界作用发生重要的变化。
二、半导体的能带
能带理论：晶体中的电子只能处于能带的
能级上, 且每一个能带中都有与原子总数
相适应的能级数 。
泡利原理：在每一个能级上最多只能容纳
两个自旋方向相反的电子 。
半导体晶体能带图：
导带
价带
满带
禁带
E
禁带
gE
根据能量最小原理，电子填充能带时，总
是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。
满带：任何时间都填满电子数。
价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而
导带中没有电子。
导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能
后，就会越过禁带进入导带。
三、半导体的类型
1,I型半导体（本征半导体）：
I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，
是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零
度时，不受外界影响的情况下，导带没有
电子，价带也没有空穴，因此不能导电。
在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到
导带，产生自由电子和空穴，构成导电载
流子。
2,N型半导体
对 N型半导体，施主杂质中的电子只要获得
很小的能量，就能脱离原子而参加导电，
由于导带中的电子在导电中起主要作用，
因此也称为“电子型半导体”。由能级图
可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。
电子从施主能级跃迁到导带所需的能
量 。在常温下，电子所具有的
平均热能就足以使施主原子电离。因此，
对 N型半导体具有较高的电导率。
Di EEE ?? ?
3,P型半导体
P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这
样的半导体也称为“空穴型半导体”。由
能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶
的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的
电离能 。这时由于电子填充了
共价键中的空位而出现空穴。在常温下，
电子所具有的平均热能就足以使受主原子
电离。因此，对 P型半导体具有较高的电导
率。
??? EEE Ai
说明：
从半导体载流子的浓度考虑, 若在无辐射时
电子和空穴的浓度分别为 n和 p,则当 n＜＜
p时, 这种半导体称为 P本征半导体；当 n＞
＞ p时, 称为 N型半导体；当 n＝ p时, 称为 I
型半导体 。
四、热平衡载流子
费米 -狄拉克分布函数
禁带宽度
半导体费米能级
?E
?E
gE
)(a
?E
?E
)(b
gE
DE
?E
?E
)(c
gE
AE
五、非平衡载流子
非平衡载流子定义
寿命
复合
陷阱效应
六、载流子的运动
扩散运动
漂移运动
爱因斯坦关系：描述扩散运动与迁徙率的
关系
七、光辐射与半导体的相互作用
当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收
光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将
跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成
非平衡载流子，从而提高材料的电导率。
半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂
质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五
种光吸收效应。
⒈ 本征吸收
本征吸收是指电子在辐射作用下, 从
价带跃迁到导带的吸收 。 研究本征吸
收时应考虑半导体的能带结构 。 如前
所述, 对直接带隙材料, 电子所需的
能量应大于或等于能隙 Eg；而对间接带
隙材料, 电子除需要大于或等于能隙
的能量外, 还需要声子的能量 。
⒉ 杂质吸收
在半导体禁带内存在杂质能级时, 在小于
能隙能量的光子作用下, 杂质能级和相应
的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载
流子－电子或空穴 。 杂质吸收的光谱区位
于本征吸收的长波方向, 其光子能量应大
于或等于所需的电离能 。
⒊ 载流子吸收
载流子浓度很大（ ~ ）时，导带中的
电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出
现的非选择性吸收
⒋ 激子和晶格吸收
指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能
量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能
量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低
光电转换效率。
1910 2010 3?cm
第五节 光电效应
光电效应的定义
光电效应的分类
光电效应的物理现象
一、光电效应
物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质
中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电
导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。
在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点,
原因：是辐射，而不是升温；
现象：电子运动状态发生变化；
结果：电导 率变化,光生伏特、光电子发射。
简单记为：辐射 → 电子运动状态发生变化 → 光
电导效应、光生伏特效应、光电子发射。
光对电子的直接作用是物质产生
光电效应的起因
光电效应的起因,在光的作用下, 当光敏物质中
的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束
缚时, 电子就会从基态被激发到高能态, 脱离原
子核的束缚, 在外电场作用下参与导电, 因而产
生了光电效应 。
这里需要说明的是, 如果光子不是直接与电子起
作用, 而是能量被固体晶格振动吸收, 引起固体
的温度升高, 导致固体电学性质的改变, 这种情
况就不是光电效应, 而是热电效应 。
二、光电效应分类
光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，
改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和
物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，
因而导致了不同的光电效应。
外光电效应 光电子发射
光电效应 光电导效应
内光电效应 光生伏特效应
丹倍效应
光磁效应
外光电效应, 是指物质受光照后而激发的电子逸
出物质的表面, 在外电场作用下形成真空中的光
电子流 。 这种效应多发生于金属和金属氧化物 。
内光电效应,是指受光照而激发的电子在物质内部
参与导电, 电子并不逸出光敏物质表面 。 这种效
应多发生于半导体内 。 内光电效应又可分为光电
导效应, 光生伏特效应, 丹倍效应和光磁电效应
等 。
外光电效应和内光电效应的 主要区别 在于：受光
照而激发的电子, 前者逸出物质表面形成光电子
流, 而后者则在物质内部参与导电 。
三,光电效应的物理现象
（ 一 ） 光电导效应 （ 1873年 ）
半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起
载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大
（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。
（ 1）光电导率,假设在辐射作用下，由于吸收
光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量
分别为 Δn及 Δp，则在光照稳定情况下光电导
体的电导率变为
??
????
???
???
??????
??????
0
00
00
)()(
])()[(
pnpn
pn
pnepne
ppnne
（ 2） 本征半导体的 光电导效应
光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，
若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激
发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留
下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将
同时参加导电。从而使电导率增加 。
光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是
能够激发电子的光辐射长波限为
gEh ??
)(24.10 m
EE
hc
gg
?? ??
（ 3）杂质半导体 的 光电导效应
N型光电导体, 主要是光子激发施主能级中的电
子跃迁到导带中去, 电子为主要载流子, 增加
了自由电子的浓度 。
P型光电导体, 主要是光子激发价带中的电子跃
迁到受主能级, 与受主能级中的空穴复合, 而
在价带中留有空穴, 作为主要载流子参加导电 。
增加了空穴的浓度 。
只要光子能量满足 就能激发出光生载
流子 。
相应的 杂质光电导体的长波限为
iEh ??
)(24.10 mEEhc
ii
?? ??
（ 4）光电导体的灵敏度
灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流。
光电导体的灵敏度指 一定光强下光电导的强弱。可用
光电增益 G 表示。
（ 4）
：量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数。
：光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存
在时间。
（ 5）
将（ 5）代入（ 4）得
lt
G ???
?
?
?? ULELt l
2??
2L
UG ? ???
（ 5）光电导的弛豫
光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现
象。
光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。
光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这
种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光
电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响
应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在
迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机
理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的
积累和消失过程。光电导弛豫现象有两种典型的
形式。
rIn ???
（ 6）光电导的光谱分布
光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种
波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的
问题。
对于本征半导体，当波长增加时，光电导随之增
加，经过一个最大值后，有陡峭的下降，由于不
存在一个明显的长波限，莫斯提出把光电导的数
值降到最大值一半处的波长定为长波限。
对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电
子或空穴 激发为自由的光生载流子，要求
而, 所以,由
于 很小,很长。
iEh ?? gi EE ? 本杂 〉 ??
iE 杂?
（二）光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导
体中光生电子和空穴, 并在空间分开而产生电位
差的现象 。 即将光能转化成电能 。
不均匀半导体：由于半导体对光的吸收, 内建电
场使载流子定向运动而产生电位差 。 （ 像 PN结,
异质结, 肖特基结 ）
均匀半导体：无内建电场, 半导体对光的吸收后,
由于载流子的扩散速度不同, 导致电荷分开, 产
生的光生电势 。 如丹倍效应和 光磁电效应 。
⒈ PN结的光生伏特效应
PN结受到光照时：光线足以透过 P型半导体入射到
PN结，对于 能量大于材料禁带宽度 的光子，由于
本征吸收，就 可激发出电子空穴对 。 内建电场 把 N
中的 空穴 拉 向 P区,把 P中的 电子 拉 向 N区。 大量的
积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形
成一个光生电势差。
P N
?h
P
N
LR
GE
表示电子
表示空穴
I
光照度越强，光生电动势也就越大。
当 PN结两端通过负载构成闭合回路时, 就会有电
流沿着由经外电路到的方向流动 。 只要辐射光不
停止, 这个电流就不会消失 。 这就是 PN结被光照
射时产生光生电动势和光电流的机理 。
注意：
⑴ PN结产生光生伏特的条件是,
与照射光的强度无关；
⑵ 光生伏特的大小与照射光的强度成正比 。
gEh ??
开路光电压、短路光电流与入射光功率之
间的关系
若 入射光作用下, 产生光生电压为 U,光生
电流为 Ip,入射光功率为 P。 在 PN结两端通
过负载 RL构成的回路及等效电路为
LR
I
U LR
pI
jI
I
U
在 PN结两端通过负载 RL构成的回路中, 外电流 I与光生电
流 Ip和 PN结结电流 IJ之间的关系为
由 PN结电流特性知, 结电流
所以
光生电压为
JP III ??
]1)[ ex p (0 ?? kTeUII J
]1)[ ex p (0 ??? kTeUIII P
)1ln (
0I
II
e
kTU P ???
⒉ 异质结的光生伏特效应
同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的
结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上
生长不同半导体材料形成的结。
由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。
只有当入射 光子 到达结区时,小于 宽 禁带宽度 而
大于 窄 禁带宽度 的光子被吸收, 而且吸收光子和
激发光生载流子的地方和结区相重合,从而 排除
了表面载流子的复合损失,提高了光电转换效率,
得到快速响应的特性。
⒊ 肖特基结的光生伏特效应
当在半导体基底上沉积一层金属形成的, 金属－半导
体, 接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势
垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。
在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种
是,光子被半导体吸收，形成电子
空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，
空穴向金属漂移；
另一种是,光子被金属吸收，激发
的光电子向半导体移动。
gEh ??
DeVh ??
⒋ 丹倍效应
由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现
象称为光电扩散效应或丹倍效应 。
当：用 光照射均匀半导体的表面时，在
近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。
在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，
因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散
运动。
电子与空穴相比具有较大的迁移率和扩散系数, 因此电
子会扩散到半导体的更深处 。 在短期内导致被光照表面
带正电, 另一面带负电, 建立起光生电场 。 即在照射表
面和未照射表面间产生一定电位差 。
ig EhEh ?? ?? 或
⒌ 光磁电效应
放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射
时，如果 磁场的方向垂直于 xoy平面，洛伦
兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，
导致电子和空在垂直于 光照方向和 磁场方
向的 半导体的两端面分别积累，产生光磁
电 场，对应的电动势被称为光磁电电动势。
(三） 光电发射效应
1,光电发射原理
具有能量 hν的光子，被物质（金属或半导
体）吸收后激发出自由电子，当自由电子
的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质
的表面时，就会产生光电子发射，逸出电
子在外电场作用下形成光电子流。这就是
物质的光电发射现象。光电发射现象又叫
做外光电效应。
可以发射电子的物质称为光电发射体。
2、光电发射的基本定律
（ 1） 爱因斯坦定律 （ 光电发射第二定律 ）
发射体发射的光电子的最大动能, 随入射光频率
的增加而线性的增加, 而与入射光的强度无关 。
（ 2） 斯托列托夫定律 （ 光电发射第一定律 ）
当入射辐射的光谱分布不变时, 入射辐射通量越
大 （ 携带的光子数越多 ）, 激发电子逸出光电发
射体表面的数量也越多, 因而发射的光电流就增
加, 所以光电流正比于入射辐射通量 。
3,光电发射长波限
根据爱因斯坦公式
式中 m为电子质量； 为电子逸出后的最
大速度； 为入射光的频率； 为普朗克常
数, 其值为 ； 为光
电发射体的逸出功 。
显然, 当 时, 逸出电子无动能
,那么, 就不会产生光电发射, 因此, 光电发
射存在长波限
WW E
hcEhmv ????
??2m a x2
1
maxv
? h
SJ ?? ? 341062.6 WE
0?? WEhc ?
)(24.10 mEEhc
WW
?? ??
探测器件所依据的物理效应的共同特性是：
（ 1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率
有关，与入射光的强度无关；
—— 光电效应的产生，唯一的取决于入射光的
波长、频率以及器件的能级结构。
（ 2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也
与入射光的波长、频率有关。
—— 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入
射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。
作 业
1.简述半导体的特性和能带理论。
2.什么是热平衡和非平衡载流子？说说
它们的运动机理。
3.半导体对光的吸收有哪些？
4.描述光电效应产生机理。
预 习
第二章 第一、二节
基础 (Ⅱ )
李 孝 禄
前 言
本次课程介绍：
1.半导体物理基础 。 包括半导体的特性, 能
带理论, 载流子及运动, 载流子对光的吸收, 半
导体的 PN结及与金属的接触 。
2.光电效应 。 光电器件依据的物理基础主要
是固体的光电效应, 就是固体中决定其电学性质
的电子系统 直接 吸收入射光能, 使固体的电学性
质发生改变的现象 。 例如：光电子发射效应, 光
电导效应, 光生伏特效应等 。
你知道吗？
光电器件的主要用途：
（ 1） 用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强
弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。
（ 2） 在自动控制中作为光电转换器, 主要考虑的是
光电转换效能 。
其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的
太阳能电池 。
第四节 半导体物理基础
一、半导体的特性
电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。
导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化。
导电能力和性质受外界作用发生重要的变化。
二、半导体的能带
能带理论：晶体中的电子只能处于能带的
能级上, 且每一个能带中都有与原子总数
相适应的能级数 。
泡利原理：在每一个能级上最多只能容纳
两个自旋方向相反的电子 。
半导体晶体能带图：
导带
价带
满带
禁带
E
禁带
gE
根据能量最小原理，电子填充能带时，总
是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。
满带：任何时间都填满电子数。
价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而
导带中没有电子。
导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能
后，就会越过禁带进入导带。
三、半导体的类型
1,I型半导体（本征半导体）：
I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，
是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零
度时，不受外界影响的情况下，导带没有
电子，价带也没有空穴，因此不能导电。
在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到
导带，产生自由电子和空穴，构成导电载
流子。
2,N型半导体
对 N型半导体，施主杂质中的电子只要获得
很小的能量，就能脱离原子而参加导电，
由于导带中的电子在导电中起主要作用，
因此也称为“电子型半导体”。由能级图
可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。
电子从施主能级跃迁到导带所需的能
量 。在常温下，电子所具有的
平均热能就足以使施主原子电离。因此，
对 N型半导体具有较高的电导率。
Di EEE ?? ?
3,P型半导体
P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这
样的半导体也称为“空穴型半导体”。由
能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶
的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的
电离能 。这时由于电子填充了
共价键中的空位而出现空穴。在常温下，
电子所具有的平均热能就足以使受主原子
电离。因此，对 P型半导体具有较高的电导
率。
??? EEE Ai
说明：
从半导体载流子的浓度考虑, 若在无辐射时
电子和空穴的浓度分别为 n和 p,则当 n＜＜
p时, 这种半导体称为 P本征半导体；当 n＞
＞ p时, 称为 N型半导体；当 n＝ p时, 称为 I
型半导体 。
四、热平衡载流子
费米 -狄拉克分布函数
禁带宽度
半导体费米能级
?E
?E
gE
)(a
?E
?E
)(b
gE
DE
?E
?E
)(c
gE
AE
五、非平衡载流子
非平衡载流子定义
寿命
复合
陷阱效应
六、载流子的运动
扩散运动
漂移运动
爱因斯坦关系：描述扩散运动与迁徙率的
关系
七、光辐射与半导体的相互作用
当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收
光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将
跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成
非平衡载流子，从而提高材料的电导率。
半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂
质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五
种光吸收效应。
⒈ 本征吸收
本征吸收是指电子在辐射作用下, 从
价带跃迁到导带的吸收 。 研究本征吸
收时应考虑半导体的能带结构 。 如前
所述, 对直接带隙材料, 电子所需的
能量应大于或等于能隙 Eg；而对间接带
隙材料, 电子除需要大于或等于能隙
的能量外, 还需要声子的能量 。
⒉ 杂质吸收
在半导体禁带内存在杂质能级时, 在小于
能隙能量的光子作用下, 杂质能级和相应
的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载
流子－电子或空穴 。 杂质吸收的光谱区位
于本征吸收的长波方向, 其光子能量应大
于或等于所需的电离能 。
⒊ 载流子吸收
载流子浓度很大（ ~ ）时，导带中的
电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出
现的非选择性吸收
⒋ 激子和晶格吸收
指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能
量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能
量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低
光电转换效率。
1910 2010 3?cm
第五节 光电效应
光电效应的定义
光电效应的分类
光电效应的物理现象
一、光电效应
物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质
中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电
导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。
在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点,
原因：是辐射，而不是升温；
现象：电子运动状态发生变化；
结果：电导 率变化,光生伏特、光电子发射。
简单记为：辐射 → 电子运动状态发生变化 → 光
电导效应、光生伏特效应、光电子发射。
光对电子的直接作用是物质产生
光电效应的起因
光电效应的起因,在光的作用下, 当光敏物质中
的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束
缚时, 电子就会从基态被激发到高能态, 脱离原
子核的束缚, 在外电场作用下参与导电, 因而产
生了光电效应 。
这里需要说明的是, 如果光子不是直接与电子起
作用, 而是能量被固体晶格振动吸收, 引起固体
的温度升高, 导致固体电学性质的改变, 这种情
况就不是光电效应, 而是热电效应 。
二、光电效应分类
光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，
改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和
物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，
因而导致了不同的光电效应。
外光电效应 光电子发射
光电效应 光电导效应
内光电效应 光生伏特效应
丹倍效应
光磁效应
外光电效应, 是指物质受光照后而激发的电子逸
出物质的表面, 在外电场作用下形成真空中的光
电子流 。 这种效应多发生于金属和金属氧化物 。
内光电效应,是指受光照而激发的电子在物质内部
参与导电, 电子并不逸出光敏物质表面 。 这种效
应多发生于半导体内 。 内光电效应又可分为光电
导效应, 光生伏特效应, 丹倍效应和光磁电效应
等 。
外光电效应和内光电效应的 主要区别 在于：受光
照而激发的电子, 前者逸出物质表面形成光电子
流, 而后者则在物质内部参与导电 。
三,光电效应的物理现象
（ 一 ） 光电导效应 （ 1873年 ）
半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起
载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大
（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。
（ 1）光电导率,假设在辐射作用下，由于吸收
光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量
分别为 Δn及 Δp，则在光照稳定情况下光电导
体的电导率变为
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00
00
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pnpn
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（ 2） 本征半导体的 光电导效应
光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，
若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激
发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留
下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将
同时参加导电。从而使电导率增加 。
光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是
能够激发电子的光辐射长波限为
gEh ??
)(24.10 m
EE
hc
gg
?? ??
（ 3）杂质半导体 的 光电导效应
N型光电导体, 主要是光子激发施主能级中的电
子跃迁到导带中去, 电子为主要载流子, 增加
了自由电子的浓度 。
P型光电导体, 主要是光子激发价带中的电子跃
迁到受主能级, 与受主能级中的空穴复合, 而
在价带中留有空穴, 作为主要载流子参加导电 。
增加了空穴的浓度 。
只要光子能量满足 就能激发出光生载
流子 。
相应的 杂质光电导体的长波限为
iEh ??
)(24.10 mEEhc
ii
?? ??
（ 4）光电导体的灵敏度
灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流。
光电导体的灵敏度指 一定光强下光电导的强弱。可用
光电增益 G 表示。
（ 4）
：量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数。
：光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存
在时间。
（ 5）
将（ 5）代入（ 4）得
lt
G ???
?
?
?? ULELt l
2??
2L
UG ? ???
（ 5）光电导的弛豫
光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现
象。
光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。
光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这
种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光
电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响
应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在
迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机
理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的
积累和消失过程。光电导弛豫现象有两种典型的
形式。
rIn ???
（ 6）光电导的光谱分布
光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种
波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的
问题。
对于本征半导体，当波长增加时，光电导随之增
加，经过一个最大值后，有陡峭的下降，由于不
存在一个明显的长波限，莫斯提出把光电导的数
值降到最大值一半处的波长定为长波限。
对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电
子或空穴 激发为自由的光生载流子，要求
而, 所以,由
于 很小,很长。
iEh ?? gi EE ? 本杂 〉 ??
iE 杂?
（二）光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导
体中光生电子和空穴, 并在空间分开而产生电位
差的现象 。 即将光能转化成电能 。
不均匀半导体：由于半导体对光的吸收, 内建电
场使载流子定向运动而产生电位差 。 （ 像 PN结,
异质结, 肖特基结 ）
均匀半导体：无内建电场, 半导体对光的吸收后,
由于载流子的扩散速度不同, 导致电荷分开, 产
生的光生电势 。 如丹倍效应和 光磁电效应 。
⒈ PN结的光生伏特效应
PN结受到光照时：光线足以透过 P型半导体入射到
PN结，对于 能量大于材料禁带宽度 的光子，由于
本征吸收，就 可激发出电子空穴对 。 内建电场 把 N
中的 空穴 拉 向 P区,把 P中的 电子 拉 向 N区。 大量的
积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形
成一个光生电势差。
P N
?h
P
N
LR
GE
表示电子
表示空穴
I
光照度越强，光生电动势也就越大。
当 PN结两端通过负载构成闭合回路时, 就会有电
流沿着由经外电路到的方向流动 。 只要辐射光不
停止, 这个电流就不会消失 。 这就是 PN结被光照
射时产生光生电动势和光电流的机理 。
注意：
⑴ PN结产生光生伏特的条件是,
与照射光的强度无关；
⑵ 光生伏特的大小与照射光的强度成正比 。
gEh ??
开路光电压、短路光电流与入射光功率之
间的关系
若 入射光作用下, 产生光生电压为 U,光生
电流为 Ip,入射光功率为 P。 在 PN结两端通
过负载 RL构成的回路及等效电路为
LR
I
U LR
pI
jI
I
U
在 PN结两端通过负载 RL构成的回路中, 外电流 I与光生电
流 Ip和 PN结结电流 IJ之间的关系为
由 PN结电流特性知, 结电流
所以
光生电压为
JP III ??
]1)[ ex p (0 ?? kTeUII J
]1)[ ex p (0 ??? kTeUIII P
)1ln (
0I
II
e
kTU P ???
⒉ 异质结的光生伏特效应
同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的
结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上
生长不同半导体材料形成的结。
由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。
只有当入射 光子 到达结区时,小于 宽 禁带宽度 而
大于 窄 禁带宽度 的光子被吸收, 而且吸收光子和
激发光生载流子的地方和结区相重合,从而 排除
了表面载流子的复合损失,提高了光电转换效率,
得到快速响应的特性。
⒊ 肖特基结的光生伏特效应
当在半导体基底上沉积一层金属形成的, 金属－半导
体, 接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势
垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。
在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种
是,光子被半导体吸收，形成电子
空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，
空穴向金属漂移；
另一种是,光子被金属吸收，激发
的光电子向半导体移动。
gEh ??
DeVh ??
⒋ 丹倍效应
由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现
象称为光电扩散效应或丹倍效应 。
当：用 光照射均匀半导体的表面时，在
近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。
在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，
因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散
运动。
电子与空穴相比具有较大的迁移率和扩散系数, 因此电
子会扩散到半导体的更深处 。 在短期内导致被光照表面
带正电, 另一面带负电, 建立起光生电场 。 即在照射表
面和未照射表面间产生一定电位差 。
ig EhEh ?? ?? 或
⒌ 光磁电效应
放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射
时，如果 磁场的方向垂直于 xoy平面，洛伦
兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，
导致电子和空在垂直于 光照方向和 磁场方
向的 半导体的两端面分别积累，产生光磁
电 场，对应的电动势被称为光磁电电动势。
(三） 光电发射效应
1,光电发射原理
具有能量 hν的光子，被物质（金属或半导
体）吸收后激发出自由电子，当自由电子
的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质
的表面时，就会产生光电子发射，逸出电
子在外电场作用下形成光电子流。这就是
物质的光电发射现象。光电发射现象又叫
做外光电效应。
可以发射电子的物质称为光电发射体。
2、光电发射的基本定律
（ 1） 爱因斯坦定律 （ 光电发射第二定律 ）
发射体发射的光电子的最大动能, 随入射光频率
的增加而线性的增加, 而与入射光的强度无关 。
（ 2） 斯托列托夫定律 （ 光电发射第一定律 ）
当入射辐射的光谱分布不变时, 入射辐射通量越
大 （ 携带的光子数越多 ）, 激发电子逸出光电发
射体表面的数量也越多, 因而发射的光电流就增
加, 所以光电流正比于入射辐射通量 。
3,光电发射长波限
根据爱因斯坦公式
式中 m为电子质量； 为电子逸出后的最
大速度； 为入射光的频率； 为普朗克常
数, 其值为 ； 为光
电发射体的逸出功 。
显然, 当 时, 逸出电子无动能
,那么, 就不会产生光电发射, 因此, 光电发
射存在长波限
WW E
hcEhmv ????
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)(24.10 mEEhc
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探测器件所依据的物理效应的共同特性是：
（ 1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率
有关，与入射光的强度无关；
—— 光电效应的产生，唯一的取决于入射光的
波长、频率以及器件的能级结构。
（ 2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也
与入射光的波长、频率有关。
—— 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入
射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。
作 业
1.简述半导体的特性和能带理论。
2.什么是热平衡和非平衡载流子？说说
它们的运动机理。
3.半导体对光的吸收有哪些？
4.描述光电效应产生机理。
预 习
第二章 第一、二节
