光电导效应

某些半导体材料受到光照射时，其电导率发生变化的现象。光照射到半导体上，价带上的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光提供的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中就会产生一个自由电子和一个空穴，这两种载流子都参与导电。由光产生的附加电导称为光电导，也称本征光电导。光能还可将杂质能级激发产生附加电导，称为杂质光电导。利用光敏效应可制成光敏电阻，不同波长的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只对应于一定的光谱才具有这种效应。对紫外光较灵敏的光敏电阻称紫外光敏电阻，如硫化镉和硒化镉光敏电阻，用于探测紫外线。对可见光灵敏的光敏电阻称可见光光敏电阻，如硒化铊、硫化铊，硫化铋及锗、硅光敏电阻，用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗，光电计算器，光电控制照明，自动安全保护等。对红外线敏感的光敏电阻称红外光敏电阻，如硫化铅，碲化铅、硒化铅等，用于夜间或淡雾中探测能够辐射红外线目标，红外通信，导弹制导等。

光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。

对光电导体受矩形脉冲光照时，常有上升时间常数τr和下降时间常数τf来描述弛豫过程的长短。τr表示光生载流子浓度从零增长到稳态值63%时所需的时间，τf表示从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。

当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度（对应于输出光电流）与光功率频率变化的关系，是一个低通特性，说明光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应：

Δn0：中频时非平衡载流子浓度。

ω：圆频率，ω=2πf。

τ：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常数。

可见Δn随ω增加而减小，当ω=1/τ时，Δn=Δn0/，称此时f=1/2πτ为上限截止频率或带宽。

光电增益与带宽之积为一常数，Mf=(τn/tn+τp/tp)·(1/2πτ)=(1/tn+1/tp)·(1/2π)=常数。表明材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的：材料光电灵敏度高，则带宽窄；材料带宽宽，则光电灵敏度低。此结论对光电效应现象有普遍性。

半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，此时具有亮电导。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。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。

暗态下

Gd=σd·A/L, Id=GdU=σd·AU/L

亮态下

Gl=σl·A/L, Il=GlU=σl·AU/L

亮态与暗态之差

Gp=Gl - Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il - Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/L

A：半导体材料横截面面积

L：半导体材料长度

I：电流

U：外加电压

G：电导

σ：电导率

Δσ：光致电导率的变化量

下标d代表暗，l代表亮，p代表光。

光电导效应的应用主要体现在光电导材料的应用上。光电导材料是一种灵敏、快速的光电器件。通过它，能灵敏、快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号，广泛地应用于国民经济、军事、科学技术等各个部门和社会生活的方方面面，特别是现代高新技术之中。

利用光电导效应原理工作的探测器称为光电导探测器。作为半导体材料的一种体效应，光电导效应无须形成p-n结。光照越强，光电导材料的电阻率越小，故光电导材料又称为光敏电阻。不含杂质的光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测，含杂质的光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。

通过光电导材料，热像仪中的红外光可变成可见光，即将红外图像转化为可见光图像，以便作战人员观察夜间战场情况。这一过程分为两步进行：首先是使用对红外辐射敏感的红外光电导探测器，把红外辐射信号变成电信号，该信号的大小正比于红外辐射的强度；其次是通过电视显像系统将电信号显示于电视屏幕上。

热像仪是当代夜视技术发展的最高水平，广泛应用于各类红外观察仪、红外热瞄器、坦克上的潜望仪器、带光测距机、火控系统与跟踪系统之中，具有隐蔽性好、抗干扰性强、分辨率高、全天候性等优点。

红外光电导摄像管是红外制导导弹的眼睛。许多军事目标(飞机、坦克、军舰等)都装有大功率发动机，其动力部分是强大的红外辐射源，可形成红外制导导弹的目标控制信号。当信号被导弹接受后，经处理去驱动导弹的控制系统，在红外光电导摄像管的协助下，不断矫正导弹的飞行方向，逼近目标并加以摧毁。用导弹拦截导弹，关键在于传感器准确及时地探测、跟踪目标。由对红外光响应速度快、灵敏度高、有较高响应率的光电导材料制成的红外光电导探测器，可安装在预警飞机或预警卫星上，能准确及时地探测、跟踪敌方导弹尾焰的红外辐射，是反导弹系统预警装置中的重要组成部分。红外光电导制导、探测技术具有不易受干扰、定位准确率高、结构简单、成本低、可探测超低空目标等优点，但受气象条件的影响比较大，往往要和雷达配合，以便取长补短。目前，许多地空导弹是雷达)红外双模制导导弹。有趣的是，光电导效应同样应用于隐身技术。

在生产生活方面，光敏电阻可应用在各种自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、航标灯、路灯、应急自动照明、自动给水停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置、照相机的自动调节、电子计算机的输入设备以及医疗器械(如光电脉搏计、心电图仪)等方面。此外，还可应用于电子乐器、电视和其它家用电器中。

在教育教学方面，光电导摄像管可广泛地应用于学校教育教学的监督和管理评价工作之中。光电导材料应用于扫描仪、复印机、投影仪，给学校的教学和人们日常的学习和交流带来方便。

在科学研究方面，利用红外光电导，可以遥感物体表面温度、无损探伤、气象遥感、地学遥感等。

总之，光电导传感和遥感技术对于自动控制、机电一体化十分重要。

探测、传感技术的发展离不开高性能的光电器件材料。 在今后一段时间内, 响应速度更快、 响应效率更好、灵敏度更高、响应频率更宽的高性能光电导材料, 将是光电导技术研究的主要发展方向。

综上所述, 人类已经进入信息时代, 半导体和微电子技术无疑是信息社会的核心技术之一。 展望未来, 在光电子技术的革命中, 光电导材料会在光学、集成光电子学和分子电子学领域发挥重大作用 。 在语言和图像的识别中, 在复杂情况下作出判断的人工智能以及神经网络和模拟人脑等方面的发展中, 半导体微电子技术和光电子技术仍将是未来科学技术革命的主要内 容, 作为一种性能不断优化的基础元器件, 光电导材料将会作出巨大的贡献。