[科普中国]-半导体长波限

对于半导体材料或器件的光吸收，当光波的波长大于某个波长λc时光吸收系数急剧下降，此λc即称为长波限。长波限主要决定于材料的禁地宽度。长波限对于光探测器具有重要的意义，长波限越长，则能够探测的光波长也就越大。

光电导效应光电导效应一般分为本征光电导和杂质光电导效应。前者对应带间跃迁，产生自由的电子一空穴对；后者是指光子没有足够能量产生电子一空穴对，但能激发杂质中心形成自由电子(n型半导体)或自由空穴(p型半导体)。因为杂质浓度低，杂质光电导要比本征光电导弱得多。1

如果能量使用电子伏(eV)作为单位，而波长是以微米计时，本征光电导(上式)与杂质光电导的长波限(下式)(单位)分别是：

式中、分别是本征半导体的禁带宽度和电离能：在图1和图2中分别列出了一些本征光电导和杂质光电导物体的长波限。1

光子探测器光子探测器亦称量子探测器，系基于光电效应而工作。其中基于外光电效应的叫外光电探测器或真空光电探测器；而基于内光电效应的又常有光电导(PC)探测器和光伏(PV)探测器之分。

外光电探测器的光电阴极是逸出功低的碱金属多元素复合物(如银氧铯、锑化铯、锑钾钠铯等)或负电子亲和势材料，若入射光子的能量高于阴极材料的逸出功，则电子便脱离阴极表面，被电场拉向阳极。当外电路闭合时即产生光电流。

光电导(PC)探测器的工作物质多是半导体。当入射光子的能量不小于被辐照半导体的禁带宽度或杂质电离能时，便在半导体内产生自由电子或空穴，使材料电导率上升。由于外加偏压作用，输出与入射能量相应的电信号。光电导效应有本征型、非本征型之分。例如PbS、InSb、HgCdTe属本征半导体，而锗掺杂、硅掺杂者属非本征半导体。由于杂质的电离能远小于本征半导体的禁带宽度，故杂质半导体的长波限比本征型的要长。但由于杂质浓度低，故非本征光电导效应比本征型的弱得多。因光电导探测器的电阻对光敏感，故也称为光敏电阻。

光伏(PV)探测器以光生电动势原理来工作。当光照射p-n结时，P区、n区和结区都产生电子一空穴对，而P区的光生空穴和n区的光生电子被P-n结阻挡，不能进入结区。只有P区的光生电子可扩散到n区一侧的结边界，n区的光生空穴可扩散到P区一侧的结边界。同时，结区的光生电子一空穴对受结电场作用而分开，电子漂向n区，空穴漂向P区。上述过程的总效果是使P区、n区各自获得光生正电荷和负电荷，使p-n结的势垒高度降低。这种由光辐照而产生的势垒变化称之为光生电势，这种现象叫光生伏打效应。

光生载流子在向结区扩散的过程中会有一部分被复合掉。离结区越远，则扩散距离越长，复合概率就越高，相应的量子效率就越低。

肖特基势垒光电探测器也是光伏探测器的一种。其制作方法是把金属沉积在半导体表面。由于金属和半导体中载流子所处能级的差异，它们会由高能级向低能级方向“转移”，其结果是出现内建电场。由于此电场对上述“转移”的抑制，很快就达到动态平衡，形成稳定的结区势垒——肖特基势垒(Sehottky—barrier)。当入射光辐照打破这种平衡时，就产生光伏效应。如表面镀铂的硅肖特基器件，其响应波段为(1～5μm)，可用于中红外区的探测。因可利用成熟的硅工艺制备焦平面阵列，也很有发展前景。在这种器件中，势垒就在半导体表面形成，光生载流子直接在势垒区内(无须像p-n结那样要经过扩散才能进入势垒区)，这既省去了扩散时问，又减少了复合损失，使器件响应快、灵敏度高。但入射光需通过金属层，有部分光能损失。2

光敏半导体材料半导体材料，如Si，Ge，GaAs和InSb等的价带和导带之间存在能级差。当半导体材料从光子中吸收能量并将部分电子从价带送至导带后，其导电性就增强了。但这里的能量必须大于。图3列出了一些半导体材料的值和长波限。

当给半导体材料掺杂后，在其禁带中将弓1人附加的能级．若入射光子能电离掺杂原子，并使电子进入半导体的导带，那么该半导体材料的导电性能也同样会改变．这表明掺杂半导体的长波限将由掺杂原子的电离能所决定。图4给出了一些典型掺杂半导体的电离能和值． 显然，表中的材料经冷却后，可用作理想的红外探测器。

在可见区，固态探测器的QE值比PMT阴极的要高，但由于其噪声大，所以DQE西值就不如PMT了。然而七十年代以来多元固态探测器的发展，使得它在天体物理的观测中逐渐上升到主导地位。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学