半导体的光电导

半导体的光电导

半导体的光吸收在半导体材料中产生非平衡载流子。载流子的增加必然使材料电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。本征吸收引起的光电导称为本征光电导。

现在讨论均匀半导体材料的光电导效应

1． 附加电导率

2．

无光照时，半导体样品的暗电导率为电子和空穴的迁移率。

设光注入的非平衡载流子浓度分别为n ∆和p ∆，当电子刚被激发

)(00p n o p n q μμσ+=

式中q 为电子电量，00p n 、为平衡载流子浓度；n μ和p μ分别为到导带时，同导带中热平衡电子相比较可能会有较大的能量，但通过与晶格的碰撞，在极短的时间内就以发射声子的形式释放多余的能量变成热平衡电子。因此在整个光电导过程中可以认为光生电子与热平衡电子具有相等的迁移率，则光照情况下样品的电导率变为

)(p n p n q μμσ+=

式中n n n ∆+=0；p p p ∆+=0附加光电导σ∆为

)(p n p n q μμσ∆+∆=∆ 光电导的相对值

p n p n p n p n μμμμσσ000+∆+∆=∆ 对本征光电导0p n ∆=∆ 令p

n b μμ= 则000

)1(p bn n b +∆+=∆σσ 可以看出要得到相高的光电导，应使0n 和0p 有较小的数

值，

对半导体本征吸收，n p ∆=∆；但是并不是光生电子和光生空穴都对光电导有贡献。

对p 型O Cu 2其本征光电导主要来自光生空穴的贡献

对n 型CdS ，其本征光电导主要来自于光生电子的贡献 就是说，在本征光电导中，光激发的电子和空穴数是相等的，但是在它们复合消失以前，只有其中一种光生载流子（一般为多载流子）有较长的时间存在于自由状态，而另一种则往往被一些能级（陷阱）来缚住，这样，p n ∆>>∆或n p ∆>>∆附加电导率应为

q n n μσ∆=∆或q p p μσ∆=∆

除了本征光电导外，杂质能级上的电子或空穴受光照激发也能产生光电导，但比本征光电导弱得多。

2．定态光电导及其弛豫过程

定态光电导是指在恒定光照下产生的光电导。

因为n μ和p μ在一定条件是一定的，所以光电导的变化反映

了光生载流子的变化。

设工表示以光子数计算的光强度即单位时间通过单位面积的光子数，α为样品的吸收录数，则单位时间单位体积内吸收的光能量（以光子数计）与光强成正比。

I dx

dI α=- I α为单位体积内光子的吸收率，从而电子空穴对的产生率为

αβI Q =

β代表每吸收一个光子产生的电子空穴对数，称为量子产额，每吸收一个光子产生一个电子空穴对，则21β 一般1<β，

设在某一时刻开始以强度为I 的光照射半导体表面，假设除激发过程外，不存在其他任何过程，经t 秒时间后光生载流子浓度为

It p n βα=∆=∆

如光强保持不变，光生载流子浓度将随t 线性增大，如图虚线所示。但由于光激发同时，还存在复合过程，因此n ∆和p ∆不可能直线上升，光生载流子浓度随时间的变化如图中曲线所示，n ∆最后达到稳定值s n ∆，这时附加电导率σ∆也达到稳定值s σ∆。这就是定态光电导。显然，达到定态光电导时，电子空穴

的复合率等于产生率，即Q R =。

设光生电子和空穴的寿命分别为n τ和p τ，则定态光生载流

子浓度为

p s n

s I p I n τβατβα=∆=∆

从而定态光电导率为)(p p n n s I q τμτμβασ+=∆

定态光电导率与μ，τ，β和α四个参数有关，其中β和α表征光和物质的相互作用，决定着光生载流子的激发过程。而τ和μ表征载流子与物质之间的相互作用，决定着载流子运动和非平衡载流子的复合过程。

光照经过一定的时间后才能达到定态光电导s σ；同样，当

光照停止后，光电流也是逐渐消失，如图所示，这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象。

在讨论弛豫过程中，采用一种载流子起作用的情况，即设0≈∆p

（A ）小注入情况

设0=t 时开始光照，光强度为I ，在小注入时，光生载流子寿命τ是定值，复合率R 等于τ/n ∆在光照过程中，n ∆的增加率应为

τ

βαn I R Q dt n d ∆-=-=∆)( 分离变量升积分，利用起始条件，0=t ，0=∆n 得到

)1(τα

τβα--=∆e I n

在小注入情况下，光生载流子浓度即光电导率按指数规律上升，即图中曲线上升级，当τ>>t 时，

s n I n ∆==∆τβα

这就是光生载流子的空态值

当光照停止后，0=Q ，决定光生载流子的方程为

τ

n dt n d ∆-=∆ 0=t 时，停止光照。这时光生载流子浓度已达到定态，即 0=t 时，s n n ∆=∆解方程得

τβαI n =∆t t e n e s ττ--∆=

指数规律下降，即为曲线的下降积，

小注入情况下，光电导的上升和下降函数为

)1(t e s τσσ--∆=∆上升

t

e s τσσ-∆=∆下降

两式为具有相同时间常数的指数曲线，τ称为弛豫时间

（B ）强注入情况

注入光强很强情况，0n n >>∆和0p 情况下，载流子寿命τ不

再是固定值，而方程应改为 下降段上升段22)()(n r dt

n d n r I dt n d ∆-=∆∆-=∆βα 利用起始条件：上升时0,0=∆=n t

下降时

21)/(,0r I n n t s βα=∆=∆=

解上述方程得出强注入情况下，n ∆的弛豫曲线方程： 上升])[()(

2121t Ir tgh r I n βαβα=∆ 下降⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=+=

∆t Ir r I rt I r n 21212

1)(11)()(1βαβαβα 在强注入情况下，光生载流子寿命n

r I ∆=1是光强和时间的函数

（C ）光电导灵敏度及光电导增益

定义：单位光照度所引起的光电导致s σ∆称为光电导灵

敏度

一定光照下，)(s s n ∆∆σ越大，灵敏度越高