01

內光電效應

內光電效應是一種物理過程，它指的是半導體內部電子在特定條件下被釋放的現(xiàn)象。這種效應所帶來的電導率增量，我們稱之為光電導率。 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到或超過某一閾值，這與本征導電的激發(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，直至達到與點陣熱平衡狀態(tài)相應的平均動能級。

對于許多半導體，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體內光電效應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的“紅限”，任何低于此頻率ν0的電磁輻射都無法產生激發(fā)作用，因為它們的光子能量不足以激發(fā)電子。 然而，當頻率ν超過ν0時，雖然光子的能量更高，但所產生的激發(fā)作用卻會減弱。這可能是因為當頻率超過紅限時，吸收系數(shù)會迅速增大，導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合速度遠快于內部；其次，光照產生的非主要載流子向雜質半導體內部擴散，會加速物體內部的復合速度。

有時，受到光照的物體會出現(xiàn)負光電導現(xiàn)象，即其電導率在光照下減小而非增大。這可能是因為雜質中心俘獲了另一種符號的載流子，導致只有一種符號的載流子能夠深入物體內部。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內光電效應實驗中觀察到的復雜規(guī)律提供基礎。總體而言，實驗數(shù)據(jù)表明光電導的頻率范圍相對狹窄。

02

內光電效應與載流子

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

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

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

03

雜質與點陣

同樣物體溫度的變化也會影響光電導，隨著溫度的降低，光電導的相對作用自然應該是增強的；因為溫度的降低就使暗電導的作用減弱了；而暗電導恰好是光電導的本底。隨著溫度的下降，光電導的對數(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，光載流子復合的幾率也減小了。 物體溫度的變化還影響到光電導的紅限,并且對不同的半導體，紅限移動的方向也是不同的，即溫度降低時某些半導體的紅限移向右邊，而另外一些半導體則移向左邊，隨著溫度的降低，某些半導體的禁帶寬度變小了，而另外一些半導體卻變寬了。

審核編輯：黃飛