光電導效應

某些半導體材料受到光照射時，其電導率發生變化的現象。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。由光產生的附加電導稱為光電導，也稱本徵光電導。光能還可將雜質能級激發產生附加電導，稱為雜質光電導。利用光敏效應可製成光敏電阻，不同波長的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只對應於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，用於探測紫外線。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，用於各種自動控制系統，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，用於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。

光電導材料從光照開始到獲得穩定的光電流是要經過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現象稱為弛豫過程或惰性。

對光電導體受矩形脈衝光照時，常有上升時間常數τr和下降時間常數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態值63%時所需的時間，τf表示從停光前穩態值衰減到37%時所需的時間。

當輸入光功率按正弦規律變化時，光生載流子濃度（對應於輸出光電流）與光功率頻率變化的關係，是一個低通特性，說明光電導的弛豫特性限制了器件對調製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，ω=2πf。

τ：非平衡載流子平均壽命，在這裡稱時間常數。

可見Δn隨ω增加而減小，當ω=1/τ時，Δn=Δn0/，稱此時f=1/2πτ為上限截止頻率或帶寬。

光電增益與帶寬之積為一常數，Mf=(τn/tn+τp/tp)·(1/2πτ)=(1/tn+1/tp)·(1/2π)=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。

半導體無光照時為暗態，此時材料具有暗電導；有光照時為亮態，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。

暗態下

Gd=σd·A/L, Id=GdU=σd·AU/L

亮態下

Gl=σl·A/L, Il=GlU=σl·AU/L

亮態與暗態之差

Gp=Gl - Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il - Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/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。

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，廣泛地應用於國民經濟、軍事、科學技術等各個部門和社會生活的方方面面，特別是現代高新技術之中。

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。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。不含雜質的光敏電阻一般在室溫下工作，適用於可見光和近紅外輻射探測，含雜質的光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用於中、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點是：體積小、重量輕、結構簡單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應用於工業監控系統。

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，即將紅外圖像轉化為可見光圖像，以便作戰人員觀察夜間戰場情況。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，該信號的大小正比於紅外輻射的強度；其次是通過電視顯像系統將電信號顯示於電視屏幕上。

熱像儀是當代夜視技術發展的最高水平，廣泛應用於各類紅外觀察儀、紅外熱瞄器、坦克上的潛望儀器、帶光測距機、火控系統與跟蹤系統之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強、解析度高、全天候性等優點。

(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製導導彈的眼睛。許多軍事目標(飛機、坦克、軍艦等)都裝有大功率發動機，其動力部分是強大的紅外輻射源，可形成紅外製導導彈的目標控制信號。當信號被導彈接受后，經處理去驅動導彈的控制系統，在紅外光電導攝像管的協助下，不斷矯正導彈的飛行方向，逼近目標並加以摧毀。用導彈攔截導彈，關鍵在於感測器準確及時地探測、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製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、探測技術具有不易受干擾、定位準確率高、結構簡單、成本低、可探測超低空目標等優點，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)紅外雙模製導導彈。有趣的是，光電導效應同樣應用於隱身技術。

其他應用

(1)在生產生活中的應用

在生產生活方面，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、生產安全裝置、煙霧火災報警裝置、照相機的自動調節、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，還可應用於電子樂器、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於學校教育教學的監督和管理評價工作之中。光電導材料應用於掃描儀、複印機、投影儀，給學校的教學和人們日常的學習和交流帶來方便。

(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，光電導感測和遙感技術對於自動控制、機電一體化十分重要。

光電導材料的應用前景展望

探測、感測技術的發展離不開高性能的光電器件材料。在今後一段時間內, 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, 將是光電導技術研究的主要發展方向。

綜上所述, 人類已經進入信息時代, 半導體和微電子技術無疑是信息社會的核心技術之一。展望未來, 在光電子技術的革命中, 光電導材料會在光學、集成光電子學和分子電子學領域發揮重大作用。在語言和圖像的識別中, 在複雜情況下作出判斷的人工智慧以及神經網路和模擬人腦等方面的發展中, 半導體微電子技術和光電子技術仍將是未來科學技術革命的主要內 容, 作為一種性能不斷優化的基礎元器件, 光電導材料將會作出巨大的貢獻。