光電導(dǎo)材料

光電導(dǎo)效應(yīng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在光電導(dǎo)材料的應(yīng)用上。光電導(dǎo)材料是一種靈敏、快速的光電器件。通過(guò)它，能靈敏、快速地將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門和社會(huì)生活的方方面面，特別是現(xiàn)代高新技術(shù)之中。

光電導(dǎo)效應(yīng)在基礎(chǔ)光電器件中的應(yīng)用

(1)在探測(cè)器中的應(yīng)用

利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的探測(cè)器稱為光電導(dǎo)探測(cè)器。作為半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)無(wú)須形成p-n結(jié)。光照越強(qiáng)，光電導(dǎo)材料的電阻率越小，故光電導(dǎo)材料又稱為光敏電阻。不含雜質(zhì)的光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測(cè)，含雜質(zhì)的光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)。

(2)在攝像管中的應(yīng)用

光電導(dǎo)材料是目前攝像管中應(yīng)用最為廣泛的光電變換材料之一。與利用外光電效應(yīng)的攝像管相比，光電導(dǎo)攝像管突出的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

光電導(dǎo)效應(yīng)軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

通過(guò)光電導(dǎo)材料，熱像儀中的紅外光可變成可見光，即將紅外圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像，以便作戰(zhàn)人員觀察夜間戰(zhàn)場(chǎng)情況。這一過(guò)程分為兩步進(jìn)行：首先是使用對(duì)紅外輻射敏感的紅外光電導(dǎo)探測(cè)器，把紅外輻射信號(hào)變成電信號(hào)，該信號(hào)的大小正比于紅外輻射的強(qiáng)度；其次是通過(guò)電視顯像系統(tǒng)將電信號(hào)顯示于電視屏幕上。

熱像儀是當(dāng)代夜視技術(shù)發(fā)展的最高水平，廣泛應(yīng)用于各類紅外觀察儀、紅外熱瞄器、坦克上的潛望儀器、帶光測(cè)距機(jī)、火控系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)、分辨率高、全天候性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)導(dǎo)彈系統(tǒng)中的制導(dǎo)裝置和反導(dǎo)彈系統(tǒng)中的預(yù)警裝置

紅外光電導(dǎo)攝像管是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的眼睛。許多軍事目標(biāo)(飛機(jī)、坦克、軍艦等)都裝有大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力部分是強(qiáng)大的紅外輻射源，可形成紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)被導(dǎo)彈接受后，經(jīng)處理去驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)，在紅外光電導(dǎo)攝像管的協(xié)助下，不斷矯正導(dǎo)彈的飛行方向，逼近目標(biāo)并加以摧毀。用導(dǎo)彈攔截導(dǎo)彈，關(guān)鍵在于傳感器準(zhǔn)確及時(shí)地探測(cè)、跟蹤目標(biāo)。由對(duì)紅外光響應(yīng)速度快、靈敏度高、有較高響應(yīng)率的光電導(dǎo)材料制成的紅外光電導(dǎo)探測(cè)器，可安裝在預(yù)警飛機(jī)或預(yù)警衛(wèi)星上，能準(zhǔn)確及時(shí)地探測(cè)、跟蹤敵方導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射，是反導(dǎo)彈系統(tǒng)預(yù)警裝置中的重要組成部分。紅外光電導(dǎo)制導(dǎo)、探測(cè)技術(shù)具有不易受干擾、定位準(zhǔn)確率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可探測(cè)超低空目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，但受氣象條件的影響比較大，往往要和雷達(dá)配合，以便取長(zhǎng)補(bǔ)短。目前，許多地空導(dǎo)彈是雷達(dá))紅外雙模制導(dǎo)導(dǎo)彈。有趣的是，光電導(dǎo)效應(yīng)同樣應(yīng)用于隱身技術(shù)。

光電導(dǎo)效應(yīng)其他應(yīng)用

(1)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

在生產(chǎn)生活方面，光敏電阻可應(yīng)用在各種自動(dòng)控制裝置和光檢測(cè)設(shè)備中，如生產(chǎn)線上的自動(dòng)送料、自動(dòng)門裝置、航標(biāo)燈、路燈、應(yīng)急自動(dòng)照明、自動(dòng)給水停水裝置、生產(chǎn)安全裝置、煙霧火災(zāi)報(bào)警裝置、照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)、電子計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備以及醫(yī)療器械(如光電脈搏計(jì)、心電圖儀)等方面。此外，還可應(yīng)用于電子樂器、電視和其它家用電器中。

(2)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

在教育教學(xué)方面，光電導(dǎo)攝像管可廣泛地應(yīng)用于學(xué)校教育教學(xué)的監(jiān)督和管理評(píng)價(jià)工作之中。光電導(dǎo)材料應(yīng)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、投影儀，給學(xué)校的教學(xué)和人們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)和交流帶來(lái)方便。

(3)在科學(xué)研究中的應(yīng)用

在科學(xué)研究方面，利用紅外光電導(dǎo)，可以遙感物體表面溫度、無(wú)損探傷、氣象遙感、地學(xué)遙感等。

總之，光電導(dǎo)傳感和遙感技術(shù)對(duì)于自動(dòng)控制、機(jī)電一體化十分重要。

光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)材料的應(yīng)用前景展望

探測(cè)、傳感技術(shù)的發(fā)展離不開高性能的光電器件材料。 在今后一段時(shí)間內(nèi), 響應(yīng)速度更快、 響應(yīng)效率更好、靈敏度更高、響應(yīng)頻率更寬的高性能光電導(dǎo)材料, 將是光電導(dǎo)技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。

綜上所述, 人類已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代, 半導(dǎo)體和微電子技術(shù)無(wú)疑是信息社會(huì)的核心技術(shù)之一。 展望未來(lái), 在光電子技術(shù)的革命中, 光電導(dǎo)材料會(huì)在光學(xué)、集成光電子學(xué)和分子電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用 。 在語(yǔ)言和圖像的識(shí)別中, 在復(fù)雜情況下作出判斷的人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬人腦等方面的發(fā)展中, 半導(dǎo)體微電子技術(shù)和光電子技術(shù)仍將是未來(lái)科學(xué)技術(shù)革命的主要內(nèi) 容, 作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)元器件, 光電導(dǎo)材料將會(huì)作出巨大的貢獻(xiàn)。

半導(dǎo)體無(wú)光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過(guò)的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。

暗態(tài)下

Gd=σd·A/L, Id=GdU=σd·AU/L

亮態(tài)下

Gl=σl·A/L, Il=GlU=σl·AU/L

亮態(tài)與暗態(tài)之差

Gp=Gl - Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il - Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/L

A：半導(dǎo)體材料橫截面面積

L：半導(dǎo)體材料長(zhǎng)度

I：電流

U：外加電壓

G：電導(dǎo)

σ：電導(dǎo)率

Δσ：光致電導(dǎo)率的變化量

下標(biāo)d代表暗，l代表亮，p代表光。

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過(guò)程或惰性。

對(duì)光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來(lái)描述弛豫過(guò)程的長(zhǎng)短。τr表示光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度（對(duì)應(yīng)于輸出光電流）與光功率頻率變化的關(guān)系，是一個(gè)低通特性，說(shuō)明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)：

Δn0：中頻時(shí)非平衡載流子濃度。

ω：圓頻率，ω=2πf。

τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時(shí)間常數(shù)。

可見Δn隨ω增加而減小，當(dāng)ω=1/τ時(shí)，Δn=Δn0/，稱此時(shí)f=1/2πτ為上限截止頻率或帶寬。

光電增益與帶寬之積為一常數(shù)，Mf=(τn/tn τp/tp)·(1/2πτ)=(1/tn 1/tp)·(1/2π)=常數(shù)。表明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。