光电效应及光电导效应简介

光照射到物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric Effect)。光电效应分为光电子发射效应、光电导效应和阻挡层光电效应(又称光生伏特效应)。前一种现象发生在物体表面,称为外光电效应(External Photoelectric Effect);后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。

1.外光电效应

在光照射下,物质内部的电子受到光子的作用,吸收光子能量而从表面释放出来的现象称为外光电效应(如图2.1所示)。被释放的电子称为光电子,所以外光电效应又称为电子发射效应。外光电效应是由德国物理学家赫兹于1887年发现的,而对它正确的解释由爱因斯坦提出。基于外光电效应制作的光电器件有光电管、光电倍增管等。

光电效应

图2.1　外光电效应

光子具有能量,每个光子的能量可表示为

其中,h 为普朗克常数,h=6.626×10-34 J·s;ν为光的频率,单位为Hz(s-1)。

根据爱因斯坦光电效应理论,一个电子只接受一个光子的能量,因此,要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9 s。根据能量守恒定律可得

其中,me为电子质量,me=9.109 5×10-31 kg;v为电子逸出速度,单位为m·s-1;φ 为逸出功,单位为J。

光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功φ。不同的物质具有不同的逸出功,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率ν0=φ/h。

光线频率低于红限频率时,光子能量不足以使物体内的电子逸出,因而小于红限频率的入射光,即使光强再大,也不会产生光电子发射;反之,入射光频率高于红限频率,即使光线微弱,也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比,即光强越大,入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。

2.内光电效应

当光照射在物体上,使物体的电阻率ρ发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。

(1)光电导效应(www.xing528.com)

在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化,这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,使其由价带越过禁带,跃入导带(如图2.2所示),并使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使材料电导率变大。

图2.2　电子能带图

为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度。

(2)光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称作光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。光生伏特效应根据其产生电势的机理可分为四种:结光电效应(也称为势垒效应)、横向光电效应(也称为侧向光电效应)、光磁电效应(Photo Magneto-Electric Effect,PME Effect)和贝克勒耳效应(Becquerel Effect)。

①结光电效应

如图2.3所示,由半导体材料形成的PN 结在P 区的一侧,价带中有较多的空穴,而在N 区的一侧,导带中有较多的电子。由于扩散的结果,使P 区带负电、N 区带正电,它们积累在结附近,形成PN 结的自建场,自建场阻止电子和空穴的继续扩散,最终达到动态平衡,在结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。

图2.3　PN 结

在入射光照射下,当光子能量hν大于光电导材料的禁带宽度Eg时,就会在材料中激发出光生电子-空穴对,破坏结的平衡状态。在结区的光生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴在结电场的作用下,电子向N 区移动,空穴向P区移动,从而形成光生电流。这些可移动的电子和空穴称为材料中的少数载流子。在探测器处于开路的情况下,少数载流子积累在PN 结附近,降低势垒高度,产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场,也就是光生电动势。

②横向光电效应

当半导体光电器件受的光照不均匀时,光照部分吸收入射光子的能量,产生电子-空穴对,光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大,导致出现了载流子浓度梯度,因而载流子要扩散。如果电子迁移率比空穴大,那么空穴的扩散不明显,则电子向未被光照部分扩散,造成光照射的部分带正电,未被光照射的部分带负电,光照部分与未被光照部分产生光电动势,这种现象称为横向光电效应,也称为侧向光电效应。基于该效应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD)。

③光磁电效应

半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时,垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应,可视之为光扩散电流的霍尔效应。利用光磁电效应可制成半导体红外探测器,这类半导体材料有锗(Ge)、锑化钢(InSb)、砷化钢(In As)、硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)等。

④贝克勒耳效应

贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个相同电极中的任意一个电极时,在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。