电磁辐射（光）调控半导体导电性的机制与影响研究

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内光电效应

内光电效应是一种物理过程，它指的是半导体内部电子在特定条件下被释放的现象。这种效应所带来的电导率增量，我们称之为光电导率。   光子的能量，由普朗克常数h与电磁振动频率ν的乘积定义。在电磁激发过程中，每个光子都会将其全部能量传递给一个电子，这与热激发机制有着显著的不同。  

理论上，只要温度不为零，热激发就会存在；而光的激发则只在特定条件下发生，即光子的能量必须达到或超过某一阈值，这与本征导电的激发条件相同。若光子的能量超过所需，多余的能量会以动能形式传递给被激发的电子，这些电子在与原子碰撞后会迅速降低能量级，直至达到与点阵热平衡状态相应的平均动能级。

对于许多半导体，其激发能大致为几分之一电子伏，因此能够引起这些半导体内光电效应的电磁量子最低频率通常位于光谱的红外线部分。这个频率界限被称为光电导的“红限”，任何低于此频率ν0的电磁辐射都无法产生激发作用，因为它们的光子能量不足以激发电子。   然而，当频率ν超过ν0时，虽然光子的能量更高，但所产生的激发作用却会减弱。这可能是因为当频率超过红限时，吸收系数会迅速增大，导致电磁能主要被物体表面附近的薄层吸收，因此只有这部分的载流子数目增加。

  这种增加对物体整体电导率的影响可能较小，原因有二：首先，物体表面的电子和空穴复合速度远快于内部；其次，光照产生的非主要载流子向杂质半导体内部扩散，会加速物体内部的复合速度。  

有时，受到光照的物体会出现负光电导现象，即其电导率在光照下减小而非增大。这可能是因为杂质中心俘获了另一种符号的载流子，导致只有一种符号的载流子能够深入物体内部。但并非所有情况都存在载流子俘获现象。尽管如此，这种现象可能为解释光电导内光电效应实验中观察到的复杂规律提供基础。总体而言，实验数据表明光电导的频率范围相对狭窄。  

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内光电效应与载流子

在电磁辐射的激发下，确定载流子的平衡浓度与辐射强度之间的关系是研究的关键。理论和实验都揭示，这种关系受到光电导率对电导率贡献大小的影响。载流子的平衡浓度是激发和复合过程竞争的结果，激发过程与光的强度紧密相关，而复合过程则与所需的总平衡密度有关。在半导体电导较小时，复合过程的影响可忽略。  

在特定情况下，如内光电效应为主导时，光电导率与光照强度的平方根成正比。若光电导只是电导的微小增量，则与光照强度成正比。但值得注意的是，这些规律并非普遍适用。

        在某些复杂的半导体中，光电导率与光照强度的关系可能表现为不同的指数或具有更复杂的特性。此外，有些半导体在特定温度和光照条件下会出现电导率减小的情况，即负光电效应。光载流子的迁移率和电荷符号通常与载流子相同。   当电磁辐射从杂质能级激发载流子时，这一现象易于理解。然而，当电子从满带激发到导带形成电子-空穴载流子时，晶体点阵中的迁移率则由参与暗电导的载流子迁移率决定。   光电导现象不仅存在于半导体中，也可见于绝缘体，这证明了以固体能带理论为基础的固体电导理论的正确性。半导体与绝缘体在光电导方面的差异，主要源于光电流在半导体中仅是暗电流的附加部分。
  并非所有纯净的半导体和绝缘体都具有光电导特性，只有当它们的介电常数超过一定值时，光电导现象才会出现。通过掺入杂质或改变固体表面状态，可以赋予物质光敏特性。特别是当吸收作用发生在表面层时，表面状态对载流子回复到不导电态的速度有巨大影响，进而影响光敏特性。  

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杂质与点阵

同样物体温度的变化也会影响光电导，随着温度的降低，光电导的相对作用自然应该是增强的；因为温度的降低就使暗电导的作用减弱了；而暗电导恰好是光电导的本底。随着温度的下降，光电导的对数值逐渐增加。这个现象的原因是:随着暗载流子——电子、空穴——浓度的减小，光载流子复合的几率也减小了。   物体温度的变化还影响到光电导的红限,并且对不同的半导体，红限移动的方向也是不同的，即温度降低时某些半导体的红限移向右边，而另外一些半导体则移向左边，随着温度的降低，某些半导体的禁带宽度变小了，而另外一些半导体却变宽了。

审核编辑：黄飞