半导体的光电导（半导体的光电导）

简介

半导体的光电导

20世纪的前40年内，又先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等材料中发现，并利用这现象制成几种可用作光强测量及自动控制的光电管。自40年代开始，由于半导体物理学的发展，先是硫化铅的，尔后是其他半导体的光电导得到了充分研究。并由此发展了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。研究这种现象也是探索半导体基本性能的重要方法之一。

电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。因此凡是能激发出载流子的入射光都能产生光电导。入射光可以使电子从价带激发到导带，因而同时增加电子和空穴的浓度；也可以使电子跃迁发生在杂质能级与某一能带之间，因而只增加电子浓度或只增加空穴浓度。前一过程引起的光电导称为本征光电导，后一过程引起的光电导称为杂质光电导。不管哪一种光电导，入射光的光子能量都必须等于或大于与该激发过程相应的能隙ΔE（禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离），也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λ。

从入射光照射到半导体表面的瞬间开始，能带中的载流子浓度将不断增加。但随着载流子的增加，复合的机会也增多，经过一段时间后，就会达到载流子因光激发而增加的速率与因复合而消失的速率相等的稳定状态。这时能带中的载流子浓度减去光照之前原有的载流子浓度就得到光生载流子浓度。到达这一稳定状态所需的时间就叫做光电导的弛豫时间，或响应时间。

用适当的电子线路可以测量光生载流子所输出的电流，这个电流称为光电流。入射光的单位功率所产生的光电流，称为光电导的响应率。它代表样品的光电导过程的效率，与材料的基本参量，如载流子迁移率和寿命、样品的尺寸以及入射光的波长等有关。

除掉载流子浓度增加可产生光电导外，由于光照引起载流子迁移率的改变也会产生光电导。有人称这类光电导为第二类光电导，以区别于上述载流子浓度增加的第一类光电导。InSb单晶在深低温的第二类光电导已被用来制作远红外探测器。

理论基础

1947年发明的半导体晶体管，带来了现代电子学的革命。硅大规模集成电路和半导体激光器的问世，使得世界进入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代。

晶体管发明以后，20世纪50—60年代，人们对半导体的物理性质进行了广泛而深入的研究，对半导体的能带结构、杂质能级等有了全面的了解。1971年用分子束外延技术成功地制造了人工设计的新型半导体材料——量子阱和超晶格，半导体技术发展进入了一个新阶段。以量子阱、超晶格为基础制造的新型激光器、发光管、高迁移率电子器件、探测器等大大促进了20世纪末的信息革命。

半导体与金属、绝缘体的差别通过能带就很容易理解。根据量子力学，一个自由原子的电子只能有确定的能量值。自由原子组成固体时，随着原子间距离变小，原子之间的相互作用增强，原来自由原子中电子的一系列分立的允许能级变宽，形成了固体中的能带。固体中的电子只能填充在这些能带上，能带与能带之间称为禁带，是禁止电子停留的能量区域。按照泡利不相容原理，每个能带只能填充2n个电子，n是固体中的原子数。金属多数是一价的，所以固体中只有n个价电子，只能填充能带的一半。能带没有填满，所有电子都能自由运动，因此导电性能好。半导体中每个原子平均有4个价电子，恰好能填满能带，这些能带称为价带。上面没有电子填充的能带称为导带。中间的禁带有一定的宽度，大约为1电子伏左右。当半导体中掺有杂质时，导带中会有少量的自由电子，或者价带中会有少量的电子缺位（称为空穴）。如果半导体主要靠电子在导带中运动导电，则称为N型半导体，靠空穴在价带中运动导电则称为P型半导体。

如果用适当波长的光照射半导体，则电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，这种现象称为光吸收。要发生光吸收必须满足能量守恒，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度。半导体的禁带宽度在1电子伏左右，所有可见光都能吸收，因此它们都是不透明的。电子被激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。