電磁輻射（光）調(diào)控半導(dǎo)體導(dǎo)電性的機(jī)制與影響研究

01

內(nèi)光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)是一種物理過程，它指的是半導(dǎo)體內(nèi)部電子在特定條件下被釋放的現(xiàn)象。這種效應(yīng)所帶來的電導(dǎo)率增量，我們稱之為光電導(dǎo)率。 光子的能量，由普朗克常數(shù)h與電磁振動頻率ν的乘積定義。在電磁激發(fā)過程中，每個光子都會將其全部能量傳遞給一個電子，這與熱激發(fā)機(jī)制有著顯著的不同。

理論上，只要溫度不為零，熱激發(fā)就會存在；而光的激發(fā)則只在特定條件下發(fā)生，即光子的能量必須達(dá)到或超過某一閾值，這與本征導(dǎo)電的激發(fā)條件相同。若光子的能量超過所需，多余的能量會以動能形式傳遞給被激發(fā)的電子，這些電子在與原子碰撞后會迅速降低能量級，直至達(dá)到與點陣熱平衡狀態(tài)相應(yīng)的平均動能級。

對于許多半導(dǎo)體，其激發(fā)能大致為幾分之一電子伏，因此能夠引起這些半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)的電磁量子最低頻率通常位于光譜的紅外線部分。這個頻率界限被稱為光電導(dǎo)的“紅限”，任何低于此頻率ν0的電磁輻射都無法產(chǎn)生激發(fā)作用，因為它們的光子能量不足以激發(fā)電子。 然而，當(dāng)頻率ν超過ν0時，雖然光子的能量更高，但所產(chǎn)生的激發(fā)作用卻會減弱。這可能是因為當(dāng)頻率超過紅限時，吸收系數(shù)會迅速增大，導(dǎo)致電磁能主要被物體表面附近的薄層吸收，因此只有這部分的載流子數(shù)目增加。

這種增加對物體整體電導(dǎo)率的影響可能較小，原因有二：首先，物體表面的電子和空穴復(fù)合速度遠(yuǎn)快于內(nèi)部；其次，光照產(chǎn)生的非主要載流子向雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散，會加速物體內(nèi)部的復(fù)合速度。

有時，受到光照的物體會出現(xiàn)負(fù)光電導(dǎo)現(xiàn)象，即其電導(dǎo)率在光照下減小而非增大。這可能是因為雜質(zhì)中心俘獲了另一種符號的載流子，導(dǎo)致只有一種符號的載流子能夠深入物體內(nèi)部。但并非所有情況都存在載流子俘獲現(xiàn)象。盡管如此，這種現(xiàn)象可能為解釋光電導(dǎo)內(nèi)光電效應(yīng)實驗中觀察到的復(fù)雜規(guī)律提供基礎(chǔ)?？傮w而言，實驗數(shù)據(jù)表明光電導(dǎo)的頻率范圍相對狹窄。

02

內(nèi)光電效應(yīng)與載流子

在電磁輻射的激發(fā)下，確定載流子的平衡濃度與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系是研究的關(guān)鍵。理論和實驗都揭示，這種關(guān)系受到光電導(dǎo)率對電導(dǎo)率貢獻(xiàn)大小的影響。載流子的平衡濃度是激發(fā)和復(fù)合過程競爭的結(jié)果，激發(fā)過程與光的強(qiáng)度緊密相關(guān)，而復(fù)合過程則與所需的總平衡密度有關(guān)。在半導(dǎo)體電導(dǎo)較小時，復(fù)合過程的影響可忽略。

在特定情況下，如內(nèi)光電效應(yīng)為主導(dǎo)時，光電導(dǎo)率與光照強(qiáng)度的平方根成正比。若光電導(dǎo)只是電導(dǎo)的微小增量，則與光照強(qiáng)度成正比。但值得注意的是，這些規(guī)律并非普遍適用。

在某些復(fù)雜的半導(dǎo)體中，光電導(dǎo)率與光照強(qiáng)度的關(guān)系可能表現(xiàn)為不同的指數(shù)或具有更復(fù)雜的特性。此外，有些半導(dǎo)體在特定溫度和光照條件下會出現(xiàn)電導(dǎo)率減小的情況，即負(fù)光電效應(yīng)。光載流子的遷移率和電荷符號通常與載流子相同。 當(dāng)電磁輻射從雜質(zhì)能級激發(fā)載流子時，這一現(xiàn)象易于理解。然而，當(dāng)電子從滿帶激發(fā)到導(dǎo)帶形成電子-空穴載流子時，晶體點陣中的遷移率則由參與暗電導(dǎo)的載流子遷移率決定。 光電導(dǎo)現(xiàn)象不僅存在于半導(dǎo)體中，也可見于絕緣體，這證明了以固體能帶理論為基礎(chǔ)的固體電導(dǎo)理論的正確性。半導(dǎo)體與絕緣體在光電導(dǎo)方面的差異，主要源于光電流在半導(dǎo)體中僅是暗電流的附加部分。
并非所有純凈的半導(dǎo)體和絕緣體都具有光電導(dǎo)特性，只有當(dāng)它們的介電常數(shù)超過一定值時，光電導(dǎo)現(xiàn)象才會出現(xiàn)。通過摻入雜質(zhì)或改變固體表面狀態(tài)，可以賦予物質(zhì)光敏特性。特別是當(dāng)吸收作用發(fā)生在表面層時，表面狀態(tài)對載流子回復(fù)到不導(dǎo)電態(tài)的速度有巨大影響，進(jìn)而影響光敏特性。

03

雜質(zhì)與點陣

同樣物體溫度的變化也會影響光電導(dǎo)，隨著溫度的降低，光電導(dǎo)的相對作用自然應(yīng)該是增強(qiáng)的；因為溫度的降低就使暗電導(dǎo)的作用減弱了；而暗電導(dǎo)恰好是光電導(dǎo)的本底。隨著溫度的下降，光電導(dǎo)的對數(shù)值逐漸增加。這個現(xiàn)象的原因是:隨著暗載流子——電子、空穴——濃度的減小，光載流子復(fù)合的幾率也減小了。 物體溫度的變化還影響到光電導(dǎo)的紅限,并且對不同的半導(dǎo)體，紅限移動的方向也是不同的，即溫度降低時某些半導(dǎo)體的紅限移向右邊，而另外一些半導(dǎo)體則移向左邊，隨著溫度的降低，某些半導(dǎo)體的禁帶寬度變小了，而另外一些半導(dǎo)體卻變寬了。

審核編輯：黃飛