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光電導效應（光電導效應）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-16

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光電導效應

光電導效應，又稱為光電效應、光敏效應，是光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象。即光電導效應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。光電導效應是兩種內(nèi)光電效應中的一種。所謂內(nèi)光電效應，是指受到光照的半導體的電導率 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體的電導率R發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導效應（photoconductive effects）。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。

基本信息

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

性質(zhì)

光電導效應

某些半導體材料受到光照射時，其電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光照射到半導體上，價帶上的電子接受能量，使電子脫離共價鍵。當光提供的能量達到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導帶，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電。由光產(chǎn)生的附加電導稱為光電導，也稱本征光電導。光能還可將雜質(zhì)能級激發(fā)產(chǎn)生附加電導，稱為雜質(zhì)光電導。利用光敏效應可制成光敏電阻，不同波長的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只對應于一定的光譜才具有這種效應。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)，如光電自動開關門窗，光電計算器，光電控制照明，自動安全保護等。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，紅外通信，導彈制導等。

弛豫過程

光電導效應

光電導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。

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

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

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)論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。

穩(wěn)態(tài)光電導

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

L：半導體材料長度

I：電流

U：外加電壓

G：電導

σ：電導率

Δσ：光致電導率的變化量

下標d代表暗，l代表亮，p代表光。

應用

光電導效應的應用主要體現(xiàn)在光電導材料的應用上。光電導材料是一種靈敏、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)換成對應的電信號，廣泛地應用于國民經(jīng)濟、軍事、科學技術(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。

在基礎光電器件中的應用

(1)在探測器中的應用

利用光電導效應原理工作的探測器稱為光電導探測器。作為半導體材料的一種體效應，光電導效應無須形成p-n結(jié)。光照越強，光電導材料的電阻率越小，故光電導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、遠紅外輻射探測。

(2)在攝像管中的應用

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

軍事領域中的應用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

通過光電導材料，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行：首先是使用對紅外輻射敏感的紅外光電導探測器，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。

熱像儀是當代夜視技術(shù)發(fā)展的最高水平，廣泛應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、火控系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強、分辨率高、全天候性等優(yōu)點。

(2)導彈系統(tǒng)中的制導裝置和反導彈系統(tǒng)中的預警裝置

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

其他應用

(1)在生產(chǎn)生活中的應用

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

(2)在教育教學中的應用

在教育教學方面，光電導攝像管可廣泛地應用于學校教育教學的監(jiān)督和管理評價工作之中。光電導材料應用于掃描儀、復印機、投影儀，給學校的教學和人們?nèi)粘５膶W習和交流帶來方便。

(3)在科學研究中的應用

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

總之，光電導傳感和遙感技術(shù)對于自動控制、機電一體化十分重要。

光電導材料的應用前景展望

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),響應速度更快、響應效率更好、靈敏度更高、響應頻率更寬的高性能光電導材料,將是光電導技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。

綜上所述,人類已經(jīng)進入信息時代,半導體和微電子技術(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,光電導材料會在光學、集成光電子學和分子電子學領域發(fā)揮重大作用。在語言和圖像的識別中,在復雜情況下作出判斷的人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡和模擬人腦等方面的發(fā)展中,半導體微電子技術(shù)和光電子技術(shù)仍將是未來科學技術(shù)革命的主要內(nèi)容,作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎元器件,光電導材料將會作出巨大的貢獻。

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