说明光电导用图
如果光波长满足如下条件:
式中，是禁带宽度，是杂质能带宽度。那么光子将在其中产生出新的载流子（电子和空穴）。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量△n和△p。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子，我们现在称之为光生载流子。显然，△P和△n将使半导体的电导增加一个量△G，我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。
对本征情况，如果光辐射每秒钟产生的光电子一空穴对数为N，则
式中，AL为半导体总体积，和
，为电子和空穴的平均寿命。于是由式（1.3一8）有
式中
表示光辐射每秒钟激发的电荷量。另一方而，由于△G的增量将使外回路电流产生增
量△i，即
式中u是端电压。从该式可见，电流增量△i不等于每秒钟光激发的电荷量eN，于是定义
M称为光电导体的电流增益。以N型半导体为例，我们可以清楚地看出它的物理意义。现在，式（1. 1一14）变为
将式（1.1-6）代入上式，有
式中，是电子在外电场作用下渡越半导体长度L所花费的时间，称为渡越时间。如果渡越时间小于电子平均寿命，则M> 1，就有电流增益效果。 1.3.4光伏效应
如果光导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。也就是说，实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 这个内部电势垒可以是PN结、PIN结、肖特基势垒结以及异质结等。这里主要讨论PN结的光伏效应，它不仅最简单，而且是基础。其它结的情况放在以后说明。
我们知道， PN结的基本特征是它的电学不对称性，在结区有一个从N侧指向P侧的内建电场存在。热平衡下，多数载流子（N侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用与少数载流子（N侧的空穴和P侧的电子）由于内电场的漂移作用相互抵消，没有净电流通过PN结。用电压表量不出PN结两端有电压，称为零偏状态。如果PN结正向偏置（P区接正，N区接负），则有较大正向电流通过PN结。如果PN结反向电压偏置（P区接负，N区接正），则有一很小的反向电流通过PN结，这个电流在反向击穿前几乎不变，称为反向饱和电流。PN结的这种伏安特性如图1. 3一2所示。
图1.3一2 PN结及其伏安特性
图中还给出了PN结电阻随偏置电压的变化曲线。PN结的伏安特性为
式中是（指无光照）暗电流，
是反向饱和电流，指数因子中的e是电子电荷量，u是偏置
是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。在零偏置情况
电压（正向偏置为正，反向偏置为负），下，PN结的电阻
为
此时i=0，所以PN结的开路电压为0。
在零偏条件下，如果照射光的波长满足条件
（1 .3一19）
那么，无论光照N区或P区，都会激发出光生电子一空穴对。例如光照P区，如图1.3一3所示。由于P区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对P区空穴浓度影响很小。相反地，光生电子对P区的电子浓度影响很大，从P区表面（吸收光能多，光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果P区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进PN结，一进入PN结，就被内电场扫向N区。这样，光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区。这时用电压表就能量出P区正N区负的开路电压。），称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通PN结，则有电流通过，称为短路光电流。显然
综合上述，光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。
图1.3一3光生伏特效应
在光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。从这个意义上说，反偏PN结在光照下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工作原理是根本不同的。反偏PN结通常称为光电二极管。 以上我们说明了三种光子效应，下面我们再说明两种常用的光热效应。 1.3.5温差电效应
当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体），两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。回路中就有电流流通。如图1. 3一4所示，如果我们把冷端分开并与一个电表相接，那么当光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表A就有相应的电流读数，电流的数值就间接反应了光照能
量大小。这就是用热电偶来探测光能的原理。实用中，为了提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，称为热电堆，它在激光能量计中获得应用。
图1.3-4 温差电效应
1.3.6热释电效应
热释电效应是通过所谓的热电材料实现的。热电材料是一种电介质，是绝缘体。再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常温下具有自发电极化（即固有电偶极矩）。由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量的材料表而上出现而束缚电荷，而电荷密度，
。由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的并不大。再加上材料表
而附近分布的外部自由电荷的中和作用，通常察觉不出有而电荷存在。如果对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋于一致排列（形成单畴极化），总的加大。当电场去掉后，如果总的仍能保持下去，这种热电体有时便称为热电一铁电体。它是实现热释电现象的理想材料。
现在我们来说明什么是热释电现象。热电体的
决定了而电荷密度的大小。当发
。这个
值是
生变化时，而电荷密度也跟着变化。经过单畴化的热电体，保持有较大的温度的函数，如图1. 3一5所示。温度升高
减小。升高到值时，自发极化突然消失，，
称为居里温度。在温度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，亦发生变化，而电荷从原来的平衡值跟着发生变化。十分重要的是，热释电体表而附近的自由电荷对而电荷的中和作用比较缓慢，一般在11000 s量级。好的热电体，这个过程很慢。在来不及中和之前，热电体侧表而就呈现出相应于温度变化的而电荷变化，这就是热释电现象。如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流。如果极板而积为A，则电流为
（1 .3一21）
式中，，称为热释电系数。很显然，如果照射光是恒定的，那么T为恒定值，亦为
恒定值，电流为零。所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。
图1.3-5 热释电效应
2.典型半导体光电探测器器件
光电导探测器和光生伏特器件是国防、空间技术、工农业科学技术中得到广泛应用的光电探测器，也是本次实验研究用到的两类探测器，下面将详述其构造、工作原理与特性。 2. 3光电导探测器
利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应。因光电导探测器无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小，因此常常又称为光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的可变电阻来对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。
常用的光敏电阻有CdS，CdSe，PbS，InSb以及TeCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备。 2. 3.1光电转换原理
以非本征N型材料为例，分析模型如图2.3-1所示。图中u表示端电压，L、w、h分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。现在我们来求在上述条件下它所产生的光电流i等于多少。
如果光电导材料的吸收系数为a，表而反射率为R，那么光功率在材料内部沿x方向的变