第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。
电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。
入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙
Δ E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离 )，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限 λ C,若
λ C 以 μ m 计,Δ E 以 eV 计，则 λ C与 Δ E的关系为
λC = 1.24 / ΔE
就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。
上一节第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录一、光电导体的灵敏度灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益 G来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：
G = βτ/ tL,（ 1）
式中 β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数； τ为光生载流子寿命； tL为载流子在光电导两极间的渡越时间
，一般有
tL = l /μE = l2 /μU （ 2）
将式（ 1）代入式（ 2）可得
G = βτμU/l2
第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录式中 l为光电导体两极间距； μ为迁移率； E为两极间的电场强度； U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命 τ越长，迁移率 μ越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距 l的平方成反比。
如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为
G = β(τnμn +τpμp )U/l2
式中 τn和 τp分别为自由电子和空穴的寿命； μn和 μp分别为自由电子和空穴的迁移率。
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录二、光电导的弛豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：
光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，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。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称为惯性大；弛豫时间短，即光电导反映快，称为惯性小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生和复合。
第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录在分析定态光电导和光强之间的关系时，通常讨论下面的两种情况：
1、直线性光电导的弛豫过程 （即光电导与光强呈线性关系）
对直线性光电导材料而言，在光强照射下，增加的电子密度 Δ n（或空穴密度 Δ p）与光强 I的关系可表示为
Δ n =α I
在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命 τ,这时，对直线性光电导可得：
Δ n/τ =Inαβ
式中 In是以光子计算的入射光强 （ 即单位时间内通过单位面积的光子数 ） ； α 为光电导体对光的吸收系数 。 由此可知,光生载流子的密度与光强成正比,电导率的增量与光强也成正比 。
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录在直线性光电导中,恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程根据上式的初始条件 t = 0时,Δ n = 0,则方程的解为取消光照后,决定光电导下降的微分方程为设光照停止时 （ t = 0）,Δ n具有式 （ 1.1-10） 所示的定态值 Δ n = Inα β τ,则上式的解为第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录所以直线性光电导上升和下降曲线如图 1.1.3-1所示。
从上面分析可以看到,在直线性光电导的弛豫中,
光电流都按指数规律上升和下降 。 在 t =τ 时,光电流上升到饱和值的 （ 1-
1/e）,或下降到饱和值的 1/e,上升和下降是对称的 。 因此定义为光电流的弛豫时间 。 显然,直线性光电导的弛豫时间与光强无关 。图 1.1.3-1直线性光电导上升和下降曲线第一章光电信息技术物理基础
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2、抛物线性光电导的弛豫过程 （ 光电导与光强的平方根成正比）
对抛物线性光电导材料,Δ n（或 Δ p）与光强 I的关系可表示为同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比，即复合率 = b（ Δ n） 2
式中 b为比例系数,这时的定态条件为由此可见,光生载流子密度以及电导率的增量均与光强的平方根成比例 。
在抛物线性光电导中,决定光电导上升的微分方程为第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录利用初始条件 t = 0时,Δ n = 0，可得式（ 1.1-18）的解为光照取消后，决定光电导下降的微分方程为利用初始条件 t=0时，，从式（ 1.1-20）可得解为抛物线性光电导的上升和下降的曲线如图 1.1.3-2所示。下降曲线是以横轴为渐进线的一条双曲线，因此称这样的下降规律为双曲线性衰减。
第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录在非线性光电导情况下，光电导的弛豫现象取决于复杂的复合机理，并且上升和下降都不对称，我们可以用来表示弛豫时间。光照开始后，经过这段时间，光电导增加到定态值的 tanh 1 =
0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。图 1.1.3-2抛物线性光电导的上升和下降的曲线第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录在上述值线性与抛物线性光电导中，光生载流子的定态值都可表示为产生率与弛豫时间的乘积。因此，
弛豫时间愈短，则定态灵敏度愈低；弛豫时间愈长，
则定态灵敏度愈高愈强。这一关系在一些光电器件，
如光敏电阻中都得到了证实。在实际应用中，既要求光敏电阻的灵敏度愈高愈好，又要求弛豫时间愈短愈好，显然这两者有一定的矛盾。因此，只能根据实际需要，折衷地选取。
第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录三、光电导地光谱分布半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，
它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如 PbS，
PbSe,PbTe可以有效地利用到 10μ m的红外光波段，而 CdS可以有效地利用到 X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。
1、本征光电导的光谱分布图 1.1.3-3表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录图 1.1.3-3 一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限,T.S.莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，
光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，
不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，
如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，
减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。
第一章光电信息技术物理基础
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2,杂质光电导的光谱分布半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，
因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录图 1.1.3-4掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线第一章光电信息技术物理基础
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第三节光电导效应上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章 回目录由图可以看出，光电导在光子能量 0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（ 0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。
图 1.1.3-4中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是 p型半导体（ p型 Ge,Au），从曲线中看到，长波限在 0.05eV处。
当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是 p型（ p型 Ge,Au,As），
长波限相应于 0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从 p型转变为 n型（ n型 Ge,Au,As），从曲线中可看到长波限相应于 0.2eV。
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电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。
入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙
Δ E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离 )，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限 λ C,若
λ C 以 μ m 计,Δ E 以 eV 计，则 λ C与 Δ E的关系为
λC = 1.24 / ΔE
就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。
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G = βτ/ tL,（ 1）
式中 β为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数； τ为光生载流子寿命； tL为载流子在光电导两极间的渡越时间
，一般有
tL = l /μE = l2 /μU （ 2）
将式（ 1）代入式（ 2）可得
G = βτμU/l2
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如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为
G = β(τnμn +τpμp )U/l2
式中 τn和 τp分别为自由电子和空穴的寿命； μn和 μp分别为自由电子和空穴的迁移率。
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光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，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。显然，弛豫时间长，表示光电导反应慢，这时称为惯性大；弛豫时间短，即光电导反映快，称为惯性小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。从光电导的机理来看，弛豫现象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。因此，要讨论弛豫现象，必须研究光生载流子的产生和复合。
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1、直线性光电导的弛豫过程 （即光电导与光强呈线性关系）
对直线性光电导材料而言，在光强照射下，增加的电子密度 Δ n（或空穴密度 Δ p）与光强 I的关系可表示为
Δ n =α I
在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命 τ,这时，对直线性光电导可得：
Δ n/τ =Inαβ
式中 In是以光子计算的入射光强 （ 即单位时间内通过单位面积的光子数 ） ； α 为光电导体对光的吸收系数 。 由此可知,光生载流子的密度与光强成正比,电导率的增量与光强也成正比 。
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从上面分析可以看到,在直线性光电导的弛豫中,
光电流都按指数规律上升和下降 。 在 t =τ 时,光电流上升到饱和值的 （ 1-
1/e）,或下降到饱和值的 1/e,上升和下降是对称的 。 因此定义为光电流的弛豫时间 。 显然,直线性光电导的弛豫时间与光强无关 。图 1.1.3-1直线性光电导上升和下降曲线第一章光电信息技术物理基础
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对抛物线性光电导材料,Δ n（或 Δ p）与光强 I的关系可表示为同时，必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比，即复合率 = b（ Δ n） 2
式中 b为比例系数,这时的定态条件为由此可见,光生载流子密度以及电导率的增量均与光强的平方根成比例 。
在抛物线性光电导中,决定光电导上升的微分方程为第一章光电信息技术物理基础
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0.75。而光照停止后，光电导在这段时间内减少到定态值的一半。图 1.1.3-2抛物线性光电导的上升和下降的曲线第一章光电信息技术物理基础
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弛豫时间愈短，则定态灵敏度愈低；弛豫时间愈长，
则定态灵敏度愈高愈强。这一关系在一些光电器件，
如光敏电阻中都得到了证实。在实际应用中，既要求光敏电阻的灵敏度愈高愈好，又要求弛豫时间愈短愈好，显然这两者有一定的矛盾。因此，只能根据实际需要，折衷地选取。
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它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如 PbS，
PbSe,PbTe可以有效地利用到 10μ m的红外光波段，而 CdS可以有效地利用到 X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。
1、本征光电导的光谱分布图 1.1.3-3表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。
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光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，
不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，
如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，
减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。
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2,杂质光电导的光谱分布半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，
因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。
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图 1.1.3-4中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是 p型半导体（ p型 Ge,Au），从曲线中看到，长波限在 0.05eV处。
当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是 p型（ p型 Ge,Au,As），
长波限相应于 0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从 p型转变为 n型（ n型 Ge,Au,As），从曲线中可看到长波限相应于 0.2eV。
