第二部分 光电材料的光致原理

第二部分

光电材料的光致原理主要内容2.1光致效应2.2光电效应2.2.1光电导效应2.2.2光生伏特效应2.2.3光电子发射效应2.2.4光磁电效应2.2.5光子牵引效应2.3热电效应2.3.1温差电效应2.3.2测辐射热计效应2.3.3热释电效应2.1光致效应分为光电效应和热电效应光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应、光电子发射效应、光磁电效应以及光子牵引效应热电效应分为：热电偶效应、测辐射热计效应以及热释电效应2.2光电效应当光照射到物体上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。光电效应分为两大类：内外电效应，物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，这种现象多发生于半导体内，内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。外光电效应，物质受到光照后向外发射电子的现象，光电子发射效应就属于这一类，多发生于金属和金属氧化物。2.2.1光电导效应（自由）载流子：导带中的电子和价带中的空穴热平衡载流子：热激发和复合作用非平衡载流子或光生载流子：光辐射作用光电导效应是指半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。分为本征光电导效应和非本征（杂质）光电导效应2.2.1光电导效应对于本征半导体：无光照时，暗电导率为：0=e(n0n+p0p)n0、p0：电子和空穴的浓度，n、p：电子和空穴的迁移率n=nL/Vp=pL/Vn、p：电子和空穴的漂移速率则暗电阻R0=L/A0，则暗电导g0=A0/L2.2.1光电导效应有光照时，在原来无光照的基础上增加n和p

，故：

=e(nn+pp)则电导增量（半导体的光电导）为：g=A/L产生光电导效应的条件：

hEg

或hc/Eg

频率，波长，c光速，h普朗克常数，Eg禁带宽度2.2.1光电导效应对于非本征光电导效应，它是入射光辐射激发非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子或空穴而产生光生载流子，使电导率发生变化。存在一个多数载流子的问题。则n=e(nn)(n型)

，p=e

(pp)(p型)

则gn=An/L(n型)

，gp=Ap/L(p型)

hc/Ei

杂质电离能Ei远小于Eg2.2.1光电导效应的弛豫现象就是光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时随着时间的增加光生载流子逐渐增多，经过一定时间后，载流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这一现象就叫光电导效应的弛豫现象。2.2.1光电导效应的弛豫现象建立稳定的光生载流子浓度或停止辐射后下降到入射前的水平所需要的时间叫光电导的弛豫时间或时间常数。2.2.1光电导效应的灵敏度通常指在一定条件下，单位照度所引起的光电流，表示一定光强下光电流的强弱，可以用光电增益G表示。

G=/tL

其中tL=L2/U即G=U/L2其中l是光电导体两极间距，为迁移率，U为外加电源电压，为光生载流子寿命，为量子产额。2.2.2

光生伏特效应光生伏特效应是指光照射在半导体PN结或金属-半导体接触上时，会在PN结或金属-半导体接触的两侧产生光电动势的现象。发生在不同半导体形成的PN结、PIN结、金属和半导体的肖特基势垒以及异质势垒等。内建电场的理解：以为例，扩散，漂移零偏状态，正向偏置，反向偏置pn2.2.2光生伏特效应光生伏特效应的产生条件：两个光电流的产生过程光电流Ip正向电压产生的电流I+总电流I=I+-Ippn2.2.3光电子发射效应在频率为的光辐射作用下，处于真空或其他介质中的物质吸收光子能量后，其动能增加，在向表面运动的电子中有一部分电子能量较大，除在途中由于与晶格或其他电子碰撞而损失部分能量外，尚有足够的能量足以克服物质表面的逸出功W，穿出表面进入真空或其他介质中，这一现象就叫光电子发射效应。具有光电子发射效应的材料叫光电子发射体。2.2.3光电子发射效应光电子发射服从的基本定律：斯托列托夫定律（光电发射第一定律）：发射的光电流（光电子数）与入射光强（或光通量）成正比。

IK=SK爱因斯坦定律（光电发射第二定律）：入射光频率增加时，从材料表面逸出的光电子的最大动能也成比例增加，而与入射光强无关。

1/2mv2m=h-W2.2.3光电子发射效应光电子发射过程的几个阶段：三个对于金属或合金：逸出功是常数，只能用于可见光和紫外光的光电子发射探测器。对于半导体：由于掺杂的影响，半导体的费米能级的位置在变化，故它的逸出功不是常数，应用范围可扩展到近红外波段。2.2.4光磁电效应将半导体样品置于磁场中，磁场方向与光辐射方向和样品上两电极连线垂直，能量足够的光子垂直入射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子-空穴对。由于材料的吸收作用，光强随着进入材料的深度呈指数规律下降，所以在半导体样品内形成光生载流子浓度梯度，于是光生载流子将从浓度大的表面向浓度小的体内扩散，在扩散过程中光生载流子切割磁力线，由于带相反电荷的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛仑兹力的作用，电子和空穴分别向样品的两端偏转，于是在样品两端产生累积电荷，从而建立起一个电场，由于这个电场是光和磁同时作用产生的，故称为光磁电效应。2.2.5光子牵引效应由于光子具有动量，在半导体中传播的光子与材料中的自由载流子碰撞发生动量传递，载流子从光子那里获得动量，受到有效的推动。在开路条件下，半导体样品内将建立一个纵向电场以阻止载流子的运动，半导体样品两端便产生一个电压。这种现象就叫光子牵引效应。由于这一效应不涉及载流子的产生复合过程，所以响应速度快。2.3热电效应物质的某些特性随着入射光辐射的加热作用所引起的温度变化而变化的现象，叫热电效应。包括温差电效应、测辐射热计效应、热释电效应等2.3.1温差电效应当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象就叫温差电效应。它包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。一、塞贝克效应当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同的温度时，在两个结点之间就产生一个电动势，这个电动势在闭合回路中引起电流，这个现象就叫塞贝克效应。

V12=a12Ta12为塞贝克系数，表示单位温差所产生的电动势的净增量。二、珀耳帖效应当由两种不同材料的导体或半导体构成的电路中通过电流时，在两个结点处就会有热交换进来或交换出去，热交换速率与通过的电流成正比，这种现象就叫珀耳帖效应。热交换率与通过的电流I之间的关系：

dQp/dt=12I12珀耳帖系数，表示单位电流在单位时间通过结点时该结点吸收或放出的热。12为正，且电流为正时，表示放出热量，电流为负时，表示吸收热量。12为负时，相反。三、汤姆逊效应在单一均质导体或半导体中存在着与珀耳帖效应相同的现象，如果通有电流的材料有温差存在，也就是说，当电流通过具有一定温度提督的均质导体或半导体时，就会可逆地吸收热量或放出热量，这一现象就叫汤姆逊效应。

Q=12IdT/dt12汤姆逊系数，表示单位温差通过单位电流吸热或放热的速率。2.3.2测辐射热计效应入射光辐射的加热作用引起材料电阻率变化的现象称为测辐射热计效应。用电阻温度系数TCR来表示材料电阻与温度的关系。

TCR=dR/RdTTCR与材料的种类和温度有关，它是描述测辐射热计材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。2.3.2测辐射热计效应对于金属（电阻与温度成正比）：

TCR=B/TB比例系数，金属的TCR为正。对于半导体：

TCR=-B/T2B=3000K，半导体的TCR为负。2.3.3热释电效应某些物质吸收光辐射后将其转换成热量，这个热量使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。目前有32种晶类，其中有20种是压电晶类，其中的10种具有自发极化特性。叫极性晶类。2.3.3热释电效应对于极性晶体，即使外加电场和应力均为零，晶体内正负电荷中心不重合，具有一定的电矩，也就是说晶体本身具有自发极化特性，所以单位体积