半導體的光電導

半導體的光電導是指半導體受光照而引起電導率的改變。最早是1873年W.史密斯在硒上發現的。

20世紀的前40年內，又先後在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘等材料中發現，並利用這現象製成幾種可用作光強測量及自動控制的光電管。自40年代開始，由於半導體物理學的發展，先是硫化鉛的，爾後是其他半導體的光電導得到了充分研究。並由此發展了從紫外、可見到紅外各個波段的輻射探測器。研究這種現象也是探索半導體基本性能的重要方法之一。

電導率正比於載流子濃度及其遷移率的乘積。因此凡是能激發出載流子的入射光都能產生光電導。入射光可以使電子從價帶激發到導帶，因而同時增加電子和空穴的濃度；也可以使電子躍遷發生在雜質能級與某一能帶之間，因而只增加電子濃度或只增加空穴濃度。前一過程引起的光電導稱為本徵光電導，後一過程引起的光電導稱為雜質光電導。不管哪一種光電導，入射光的光子能量都必須等於或大於與該激發過程相應的能隙 ΔE（禁帶寬度或雜質能級到某一能帶限的距離），也就是光電導有一個最大的響應波長，稱為光電導的長波限λ。

從入射光照射到半導體表面的瞬間開始，能帶中的載流子濃度將不斷增加。但隨着載流子的增加，複合的機會也增多，經過一段時間後，就會達到載流子因光激發而增加的速率與因複合而消失的速率相等的穩定狀態。這時能帶中的載流子濃度減去光照之前原有的載流子濃度就得到光生載流子濃度。到達這一穩定狀態所需的時間就叫做光電導的弛豫時間，或響應時間。

用適當的電子線路可以測量光生載流子所輸出的電流，這個電流稱為光電流。入射光的單位功率所產生的光電流，稱為光電導的響應率。它代表樣品的光電導過程的效率，與材料的基本參量，如載流子遷移率和壽命、樣品的尺寸以及入射光的波長等有關。

除掉載流子濃度增加可產生光電導外，由於光照引起載流子遷移率的改變也會產生光電導。有人稱這類光電導為第二類光電導，以區別於上述載流子濃度增加的第一類光電導。InSb單晶在深低温的第二類光電導已被用來製作遠紅外探測器。 ^[2] 

1947年發明的半導體晶體管，帶來了現代電子學的革命。硅大規模集成電路和半導體激光器的問世，使得世界進入了一個以微電子和光電子技術為基礎的信息時代。 ^[3] 

晶體管發明以後，20世紀50—60年代，人們對半導體的物理性質進行了廣泛而深入的研究，對半導體的能帶結構、雜質能級等有了全面的瞭解。1971年用分子束外延技術成功地製造了人工設計的新型半導體材料——量子阱和超晶格，半導體技術發展進入了一個新階段。以量子阱、超晶格為基礎製造的新型激光器、發光管、高遷移率電子器件、探測器等大大促進了20世紀末的信息革命 ^[1]  。

半導體與金屬、絕緣體的差別通過能帶就很容易理解。根據量子力學，一個自由原子的電子只能有確定的能量值。自由原子組成固體時，隨着原子間距離變小，原子之間的相互作用增強，原來自由原子中電子的一系列分立的允許能級變寬，形成了固體中的能帶。固體中的電子只能填充在這些能帶上，能帶與能帶之間稱為禁帶，是禁止電子停留的能量區域。按照泡利不相容原理，每個能帶只能填充2n個電子，n是固體中的原子數。金屬多數是一價的，所以固體中只有n個價電子，只能填充能帶的一半。能帶沒有填滿，所有電子都能自由運動，因此導電性能好。半導體中每個原子平均有4個價電子，恰好能填滿能帶，這些能帶稱為價帶。上面沒有電子填充的能帶稱為導帶。中間的禁帶有一定的寬度，大約為1電子伏左右。當半導體中摻有雜質時，導帶中會有少量的自由電子，或者價帶中會有少量的電子缺位（稱為空穴）。如果半導體主要靠電子在導帶中運動導電，則稱為N型半導體，靠空穴在價帶中運動導電則稱為P型半導體。 ^[1] 

如果用適當波長的光照射半導體，則電子在吸收了光子後將由價帶躍遷到導帶，而在價帶中留下一個空穴，這種現象稱為光吸收。要發生光吸收必須滿足能量守恆，也就是被吸收光子的能量要大於禁帶寬度。半導體的禁帶寬度在1電子伏左右，所有可見光都能吸收，因此它們都是不透明的。電子被激發到導帶而在價帶中留下一個空穴，這種狀態是不穩定的，由此產生的電子、空穴稱為非平衡載流子。 ^[1]