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光電導效應（光電導效應）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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光電導效應

光電導效應，又稱(chēng)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(lèi)光致電改變現象的總稱(chēng)。光電導效應是兩種內光電效應中的一種。所謂內光電效應，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(dòng)勢的現象。其中，由于光照而引起半導體的電導率R發(fā)生變化的現象稱(chēng)為光電導效應（photoconductive effects）。當光照射到半導體材料時(shí)，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(xiàn)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，這種現象稱(chēng)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(shí)，其電導率發(fā)生變化的現象。光照射到半導體上，價(jià)帶上的電子接受能量，使電子脫離共價(jià)鍵。當光提供的能量達到禁帶寬度的能量值時(shí)，價(jià)帶的電子躍遷到導帶，在晶體中就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴，這兩種載流子都參與導電。由光產(chǎn)生的附加電導稱(chēng)為光電導，也稱(chēng)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(chēng)為雜質(zhì)光電導。利用光敏效應可制成光敏電阻，不同波長(cháng)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(chēng)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(xiàn)。對可見(jiàn)光靈敏的光敏電阻稱(chēng)可見(jiàn)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(dòng)控制系統，如光電自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)窗，光電計算器，光電控制照明，自動(dòng)安全保護等。對紅外線(xiàn)敏感的光敏電阻稱(chēng)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(xiàn)目標，紅外通信，導彈制導等。

弛豫過(guò)程

光電導效應

光電導材料從光照開(kāi)始到獲得穩定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現象稱(chēng)為弛豫過(guò)程或惰性。

對光電導體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數τr和下降時(shí)間常數τf來(lái)描述弛豫過(guò)程的長(cháng)短。τr表示光生載流子濃度從零增長(cháng)到穩態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。

當輸入光功率按正弦規律變化時(shí)，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(guān)系，是一個(gè)低通特性，說(shuō)明光電導的弛豫特性限制了器件對調制頻率高的光功率的響應：

Δn0：中頻時(shí)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(chēng)時(shí)間常數。

可見(jiàn)Δn隨ω增加而減小，當

時(shí)，

，稱(chēng)此時(shí)

為上限截止頻率或帶寬。

光電增益與帶寬之積為一常數，

常數。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。此結論對光電效應現象有普遍性。

穩態(tài)光電導

半導體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導。如果給半導體材料外加電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導與暗電導之差稱(chēng)為光電導，亮電流與暗電流之差稱(chēng)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(cháng)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(guò)它，能靈敏、快速地將接受到的光信號轉換成對應的電信號，廣泛地應用于國民經(jīng)濟、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門(mén)和社會(huì )生活的方方面面，特別是現代高新技術(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(chēng)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(wú)須形成p-n結。光照越強，光電導材料的電阻率越小，故光電導材料又稱(chēng)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(jiàn)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(diǎn)是：體積小、重量輕、結構簡(jiǎn)單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應用于工業(yè)監控系統。

軍事領(lǐng)域中的應用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

通過(guò)光電導材料，熱像儀中的紅外光可變成可見(jiàn)光，即將紅外圖像轉化為可見(jiàn)光圖像，以便作戰人員觀(guān)察夜間戰場(chǎng)情況。這一過(guò)程分為兩步進(jìn)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(guò)電視顯像系統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(lèi)紅外觀(guān)察儀、紅外熱瞄器、坦克上的潛望儀器、帶光測距機、火控系統與跟蹤系統之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強、分辨率高、全天候性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)導彈系統中的制導裝置和反導彈系統中的預警裝置

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(dòng)機，其動(dòng)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)處理去驅動(dòng)導彈的控制系統，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(guān)鍵在于傳感器準確及時(shí)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星上，能準確及時(shí)地探測、跟蹤敵方導彈尾焰的紅外輻射，是反導彈系統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、結構簡(jiǎn)單、成本低、可探測超低空目標等優(yōu)點(diǎn)，但受氣象條件的影響比較大，往往要和雷達配合，以便取長(cháng)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(dòng)控制裝置和光檢測設備中，如生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)送料、自動(dòng)門(mén)裝置、航標燈、路燈、應急自動(dòng)照明、自動(dòng)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(dòng)調節、電子計算機的輸入設備以及醫療器械(如光電脈搏計、心電圖儀)等方面。此外，還可應用于電子樂(lè )器、電視和其它家用電器中。

(2)在教育教學(xué)中的應用

在教育教學(xué)方面，光電導攝像管可廣泛地應用于學(xué)校教育教學(xué)的監督和管理評價(jià)工作之中。光電導材料應用于掃描儀、復印機、投影儀，給學(xué)校的教學(xué)和人們日常的學(xué)習和交流帶來(lái)方便。

(3)在科學(xué)研究中的應用

在科學(xué)研究方面，利用紅外光電導，可以遙感物體表面溫度、無(wú)損探傷、氣象遙感、地學(xué)遙感等。

總之，光電導傳感和遙感技術(shù)對于自動(dòng)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(kāi)高性能的光電器件材料。在今后一段時(shí)間內,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(lèi)已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代,半導體和微電子技術(shù)無(wú)疑是信息社會(huì )的核心技術(shù)之一。展望未來(lái),在光電子技術(shù)的革命中,光電導材料會(huì )在光學(xué)、集成光電子學(xué)和分子電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。在語(yǔ)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(luò )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(lái)科學(xué)技術(shù)革命的主要內容,作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎元器件,光電導材料將會(huì )作出巨大的貢獻。

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