1、1.6 光電效應,光與物質作用產(chǎn)生的光電效應分為內光電效應與外光電效應兩類。內光電效應是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質內部運動，使物質的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應。 本節(jié)主要討論內光電效應與外光電效應的基本原理。,1.6.1 內光電效應,1. 光電導效應,光電導效應可分為本征光電導效應與雜質光電導效應兩種，本征半導體或雜質半導體價帶中的電子吸收光子能量躍入導帶產(chǎn)生本征吸收，導帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導體的電導率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導體

2、電導率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導效應。,通量為e,的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導體上，波長的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時間所吸收的量子數(shù)密度Ne,應為,(1-73),光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為,（1-74）,在熱平衡狀態(tài)下，半導體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復合率rt相平衡。光敏層內電子總產(chǎn)生率應為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和,（1-75）,導帶中的電子與價帶中的空穴的總復合率R應為,（1-76）,式中，Kf為載流子的復合幾率，n為導帶中的光生電子濃度，p為導帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。,同樣，熱電子復合率與導帶內熱電子濃度ni及價帶內

3、空穴濃度pi的乘積成正比。即,（1-77）,在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應與符合率相等。即,（1-78）,在非平衡狀態(tài)下，載流子的時間變化率應等于載流子的總產(chǎn)生率與總復合率的差。即,（1-79）,下面分為兩種情況討論： （1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度n遠小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度p遠小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點，n=p，式（1-79）可簡化為,利用初始條件t = 0時，n = 0，解微分方程得,（1-80）,式中=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。,由式（1-80）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時間按指數(shù)規(guī)律上升，當t時，載流子濃度n達到穩(wěn)態(tài)值n0，即達

4、到動態(tài)平衡狀態(tài),（1-81）,光激發(fā)載流子引起半導體電導率的變化為,（1-82）,式中，為電子遷移率n與空穴遷移率p之和。,半導體材料的光電導g為,（1-83）,可以看出，在弱輻射作用下的半導體材料的電導與入射輻射通量e,成線性關系。 求導可得,由此可得半導體材料在弱輻射作用下的光電導靈敏度Sg,（1-85）,可見，在弱輻射作用下的半導體材料的光電導靈敏度為與材料性質有關的常數(shù)，與光電導材料兩電極間的長度l的平方成反比。,（2）在強輻射的作用下，nni，ppi （1-79）式可以簡化為,利用初始條件t = 0時，n = 0，解微分方程得,（1-86）,式中， 為強輻射作用下載流子的平均壽命。,

5、強輻射情況下，半導體材料的光電導與入射輻射通量間的關系為,（1-87）,拋物線關系。,進行微分得,（1-88）,在強輻射作用的情況下半導體材料的光電導靈敏度不僅與材料的性質有關而且與入射輻射量有關，是非線性的。,2. 光生伏特效應,光生伏特效應是基于半導體PN結基礎上的一種將光能轉換成電能的效應。當入射輻射作用在半導體PN結上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導帶中的光生電子在PN結內建電場的作用下分開，并分別向如圖1-11所示的方向運動，,形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。,半導體PN結的能帶結構如圖1-12所示，當P型與N型半導體形成PN結時，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進行相對的擴散運動，以

6、便平衡它們的費米能級差，擴散運動平衡時，它 們具有如圖所示的同 一費米能級EF，并在 結區(qū)形成由正負離子 組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。,當設定內建電場的方向為電壓與電流的正方向時，將PN結兩端接入適當?shù)呢撦d電阻RL，若入射輻射通量為e,的輻射作用于PN結上，則有電流I流過負載電阻，并在負載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過負載電阻的電流應為,（1-89）,式中， I為光生電流，ID為暗電流。,當然，從（1-89）式也可以獲得I的另一種定義，當U=0（PN結被短路）時的輸出電流ISC即短路電流，并有,（1-90）,同樣，當I=0時（PN結開路），PN結兩端的開路電壓UOC為,（1-91）,光電二極管在

7、反向偏置的情況下，輸出的電流為,I=I+ID,（1-92）,光電二極管的暗電流ID一般要遠遠小于光電流I，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關系,（1-93）,3. 丹培（Dember）效應,如圖1-13所示，當半導體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。,這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應。,丹培效應產(chǎn)生的光生電壓可由下式計算,式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；n0為半導體表面處的光生載流子濃度；n與p分別為電子與空穴的遷移率。n=

8、1400cm2/(Vs)，而p=500 cm2/(Vs)，顯然，np。,半導體的迎光面帶正電，背光面帶負電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴散運動速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象為丹培效應。,4.光磁電效應,在半導體上外加磁場，磁場的方向與光照方向垂直，當半導體受光照射產(chǎn)生丹培效應時，由于電子和空穴在磁場中的運動必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運動軌跡發(fā)生偏轉，空穴向半導體的上方偏轉，電子偏向下方。,結果在垂直于光照方向與磁場方向的半導體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導體的光磁電效應。,光磁電場為,（1-95）,式中，p0，pd分別為x=0，x=d處n型半導體在光輻

9、射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴散系數(shù)，在數(shù)值上等于,（1-96）,其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴散系數(shù)。,5. 光子牽引效應,當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把動量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運動。結果，在開路的情況下，半導體樣品將產(chǎn)生電場，它阻止載流子的運動。這個現(xiàn)象被稱為光子牽引效應。 在室溫下，P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為,1.6.2 光電發(fā)射效應,當物質中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應或稱為外光電效應。 外光電效應中光電能量轉換的基本關系為

10、,（1-99）,表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質量為m的電子的初始動能便大于0。,光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結構基礎上的，對于金屬材料，由于它的能級結構如圖1-15所示，導帶與價帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級與費米能級之差,（1-100）,式中，為真空能級，一般設為參考能級為0；費米能級為低于真空能級的負值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。,對于半導體，情況較為復雜，半導體分為本征半導體與雜質半導體，雜質半導體中又分為P型與N型雜質半導體，其能級結構不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導體的綜合能級結構圖，由能級結構圖可以得到處于導帶中的電子的光電發(fā)射閾值為,即導帶中的電子接收的能量大于電子親合勢為EA的光子后就可以飛出半導體表面。,而對于價帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為,（1-102）,光電發(fā)射長波限為,（1-103）,利用具有光電發(fā)射效應的材料也可以制成各種光電探測器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。,光電發(fā)射器件具有許多不同于內光電器件的特點： 1. 電發(fā)射器件中的導電電子可以在真空中運動，因此，可以通過電場加速電子運動的動能，或通過電子的內倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號，成為像增強器與變相器技術的基本元件