第二部分 光電材料的光致原理

第二部分

光電材料的光致原理主要內(nèi)容2.1光致效應(yīng)2.2光電效應(yīng)2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)2.2.2光生伏特效應(yīng)2.2.3光電子發(fā)射效應(yīng)2.2.4光磁電效應(yīng)2.2.5光子牽引效應(yīng)2.3熱電效應(yīng)2.3.1溫差電效應(yīng)2.3.2測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)2.3.3熱釋電效應(yīng)2.1光致效應(yīng)分為光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)光電效應(yīng)分為：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射效應(yīng)、光磁電效應(yīng)以及光子牽引效應(yīng)熱電效應(yīng)分為：熱電偶效應(yīng)、測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)以及熱釋電效應(yīng)2.2光電效應(yīng)當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或電導(dǎo)率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱(chēng)為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為兩大類(lèi)：內(nèi)外電效應(yīng)，物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)，內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)，物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，光電子發(fā)射效應(yīng)就屬于這一類(lèi)，多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)（自由）載流子：導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴熱平衡載流子：熱激發(fā)和復(fù)合作用非平衡載流子或光生載流子：光輻射作用光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)和非本征（雜質(zhì)）光電導(dǎo)效應(yīng)2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)對(duì)于本征半導(dǎo)體：無(wú)光照時(shí)，暗電導(dǎo)率為：

0=e(n0

n+p0

p)n0、p0：電子和空穴的濃度，n、p：電子和空穴的遷移率

n=nL/Vp=pL/V

n、p：電子和空穴的漂移速率則暗電阻R0=L/A0，則暗電導(dǎo)g0=A0/L2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)有光照時(shí)，在原來(lái)無(wú)光照的基礎(chǔ)上增加

n和

p

，故：

=e(nn+pp)則電導(dǎo)增量（半導(dǎo)體的光電導(dǎo)）為：

g=A/L產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的條件：

hEg

或hc/Eg

頻率，

波長(zhǎng)，c光速，h普朗克常數(shù)，Eg禁帶寬度2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)對(duì)于非本征光電導(dǎo)效應(yīng)，它是入射光輻射激發(fā)非本征半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)上的束縛態(tài)電子或空穴而產(chǎn)生光生載流子，使電導(dǎo)率發(fā)生變化。存在一個(gè)多數(shù)載流子的問(wèn)題。則

n=e(nn)(n型)

，

p=e

(pp)(p型)

則

gn=An/L(n型)

，

gp=Ap/L(p型)

hc/Ei

雜質(zhì)電離能Ei遠(yuǎn)小于Eg2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)的弛豫現(xiàn)象就是光輻射入射到本征或非本征半導(dǎo)體材料上，開(kāi)始時(shí)隨著時(shí)間的增加光生載流子逐漸增多，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，載流子濃度才逐漸趨于一穩(wěn)定值。此后，若突然遮斷入射的光輻射，光生載流子并不立即下降到照射前的水平，而是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才趨于照射前的水平，這一現(xiàn)象就叫光電導(dǎo)效應(yīng)的弛豫現(xiàn)象。2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)的弛豫現(xiàn)象建立穩(wěn)定的光生載流子濃度或停止輻射后下降到入射前的水平所需要的時(shí)間叫光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間或時(shí)間常數(shù)。2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)的靈敏度通常指在一定條件下，單位照度所引起的光電流，表示一定光強(qiáng)下光電流的強(qiáng)弱，可以用光電增益G表示。

G=/tL

其中tL=L2/U即G=U/L2其中l(wèi)是光電導(dǎo)體兩極間距，

為遷移率，U為外加電源電壓，

為光生載流子壽命，

為量子產(chǎn)額。2.2.2

光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是指光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。發(fā)生在不同半導(dǎo)體形成的PN結(jié)、PIN結(jié)、金屬和半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘以及異質(zhì)勢(shì)壘等。內(nèi)建電場(chǎng)的理解：以為例，擴(kuò)散，漂移零偏狀態(tài)，正向偏置，反向偏置pn2.2.2光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)的產(chǎn)生條件：兩個(gè)光電流的產(chǎn)生過(guò)程光電流Ip正向電壓產(chǎn)生的電流I+總電流I=I+-Ippn2.2.3光電子發(fā)射效應(yīng)在頻率為的光輻射作用下，處于真空或其他介質(zhì)中的物質(zhì)吸收光子能量后，其動(dòng)能增加，在向表面運(yùn)動(dòng)的電子中有一部分電子能量較大，除在途中由于與晶格或其他電子碰撞而損失部分能量外，尚有足夠的能量足以克服物質(zhì)表面的逸出功W

，穿出表面進(jìn)入真空或其他介質(zhì)中，這一現(xiàn)象就叫光電子發(fā)射效應(yīng)。具有光電子發(fā)射效應(yīng)的材料叫光電子發(fā)射體。2.2.3光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射服從的基本定律：斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）：發(fā)射的光電流（光電子數(shù)）與入射光強(qiáng)（或光通量）成正比。

IK=SK

愛(ài)因斯坦定律（光電發(fā)射第二定律）：入射光頻率增加時(shí)，從材料表面逸出的光電子的最大動(dòng)能也成比例增加，而與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

1/2mv2m=h-W

2.2.3光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射過(guò)程的幾個(gè)階段：三個(gè)對(duì)于金屬或合金：逸出功是常數(shù)，只能用于可見(jiàn)光和紫外光的光電子發(fā)射探測(cè)器。對(duì)于半導(dǎo)體：由于摻雜的影響，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)的位置在變化，故它的逸出功不是常數(shù)，應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到近紅外波段。2.2.4光磁電效應(yīng)將半導(dǎo)體樣品置于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與光輻射方向和樣品上兩電極連線(xiàn)垂直，能量足夠的光子垂直入射到半導(dǎo)體樣品上，通過(guò)本征吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于材料的吸收作用，光強(qiáng)隨著進(jìn)入材料的深度呈指數(shù)規(guī)律下降，所以在半導(dǎo)體樣品內(nèi)形成光生載流子濃度梯度，于是光生載流子將從濃度大的表面向濃度小的體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中光生載流子切割磁力線(xiàn)，由于帶相反電荷的電子和空穴朝相同的方向運(yùn)動(dòng)以及磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用，電子和空穴分別向樣品的兩端偏轉(zhuǎn)，于是在樣品兩端產(chǎn)生累積電荷，從而建立起一個(gè)電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是光和磁同時(shí)作用產(chǎn)生的，故稱(chēng)為光磁電效應(yīng)。2.2.5光子牽引效應(yīng)由于光子具有動(dòng)量，在半導(dǎo)體中傳播的光子與材料中的自由載流子碰撞發(fā)生動(dòng)量傳遞，載流子從光子那里獲得動(dòng)量，受到有效的推動(dòng)。在開(kāi)路條件下，半導(dǎo)體樣品內(nèi)將建立一個(gè)縱向電場(chǎng)以阻止載流子的運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體樣品兩端便產(chǎn)生一個(gè)電壓。這種現(xiàn)象就叫光子牽引效應(yīng)。由于這一效應(yīng)不涉及載流子的產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程，所以響應(yīng)速度快。2.3熱電效應(yīng)物質(zhì)的某些特性隨著入射光輻射的加熱作用所引起的溫度變化而變化的現(xiàn)象，叫熱電效應(yīng)。包括溫差電效應(yīng)、測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等2.3.1溫差電效應(yīng)當(dāng)由兩種不同材料制成的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差時(shí)，在該兩點(diǎn)間就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，通過(guò)這兩點(diǎn)的閉合回路中就有電流流過(guò)，這個(gè)現(xiàn)象就叫溫差電效應(yīng)。它包括塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。一、塞貝克效應(yīng)當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同的溫度時(shí)，在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起電流，這個(gè)現(xiàn)象就叫塞貝克效應(yīng)。

V12=a12Ta12為塞貝克系數(shù)，表示單位溫差所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的凈增量。二、珀耳帖效應(yīng)當(dāng)由兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中通過(guò)電流時(shí)，在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處就會(huì)有熱交換進(jìn)來(lái)或交換出去，熱交換速率與通過(guò)的電流成正比，這種現(xiàn)象就叫珀耳帖效應(yīng)。熱交換率與通過(guò)的電流I之間的關(guān)系：

dQp/dt=

12I

12珀耳帖系數(shù)，表示單位電流在單位時(shí)間通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)該結(jié)點(diǎn)吸收或放出的熱。

12為正，且電流為正時(shí)，表示放出熱量，電流為負(fù)時(shí)，表示吸收熱量。

12為負(fù)時(shí)，相反。三、湯姆遜效應(yīng)在單一均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在著與珀耳帖效應(yīng)相同的現(xiàn)象，如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說(shuō)，當(dāng)電流通過(guò)具有一定溫度提督的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)可逆地吸收熱量或放出熱量，這一現(xiàn)象就叫湯姆遜效應(yīng)。

Q=

12IdT/dt

12湯姆遜系數(shù)，表示單位溫差通過(guò)單位電流吸熱或放熱的速率。2.3.2測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)入射光輻射的加熱作用引起材料電阻率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)。用電阻溫度系數(shù)TCR來(lái)表示材料電阻與溫度的關(guān)系。

TCR=dR/RdTTCR與材料的種類(lèi)和溫度有關(guān)，它是描述測(cè)輻射熱計(jì)材料的電阻值對(duì)溫度變化靈敏程度的基本參數(shù)。2.3.2測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)對(duì)于金屬（電阻與溫度成正比）：

TCR=B/TB比例系數(shù)，金屬的TCR為正。對(duì)于半導(dǎo)體：

TCR=-B/T2B=3000K，半導(dǎo)體的TCR為負(fù)。2.3.3熱釋電效應(yīng)某些物質(zhì)吸收光輻射后將其轉(zhuǎn)換成熱量，這個(gè)熱量使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體內(nèi)晶格的間距，這就引起在居里溫度以下存在的自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應(yīng)。目前有32種晶類(lèi)，其中有20種是壓電晶類(lèi)，其中的10種具有自發(fā)極化特性。叫極性晶類(lèi)。2.3.3熱釋電效應(yīng)對(duì)于極性晶體，即使外加電場(chǎng)和應(yīng)力均為零，晶體內(nèi)正負(fù)電荷中心不重合，具有一定的電矩，也就是說(shuō)晶體本身具有自發(fā)極化特性，所以單位體積的總電