[科普中国]-光致效应

光电效应

当光照射到物体上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。

光电效应分为两大类：

内光电效应，物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象，这种现象多发生于半导体内，内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

外光电效应，物质受到光照后向外发射电子的现象，光电子发射效应就属于这一类，多发生于金属和金属氧化物。1

光电导效应

光电导效应是指半导体受光照射后，其内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减小的现象。分为本征光电导效应和非本征（杂质）光电导效应。对于非本征光电导效应，它是入射光辐射激发非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子或空穴而产生光生载流子，使电导率发生变化。

光电导效应的弛豫现象

光电导效应的弛豫现象就是光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时随着时间的增加光生载流子逐渐增多，经过一定时间后，载流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这一现象就叫光电导效应的弛豫现象。

光生伏特效应

光生伏特效应是指光照射在半导体PN结或金属-半导体接触上时，会在PN结或金属-半导体接触的两侧产生光电动势的现象。发生在不同半导体形成的PN结、PIN结、金属和半导体的肖特基势垒以及异质势垒等。

光电子发射效应

在频率为u的光辐射作用下，处于真空或其他介质中的物质吸收光子能量后，其动能增加，在向表面运动的电子中有一部分电子能量较大，除在途中由于与晶格或其他电子碰撞而损失部分能量外，尚有足够的能量足以克服物质表面的逸出功WF，穿出表面进入真空或其他介质中，这一现象就叫光电子发射效应。具有光电子发射效应的材料叫光电子发射体。

光磁电效应

将半导体样品置于磁场中，磁场方向与光辐射方向和样品上两电极连线垂直，能量足够的光子垂直入射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子-空穴对。由于材料的吸收作用，光强随着进入材料的深度呈指数规律下降，所以在半导体样品内形成光生载流子浓度梯度，于是光生载流子将从浓度大的表面向浓度小的体内扩散，在扩散过程中光生载流子切割磁力线，由于带相反电荷的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛仑兹力的作用，电子和空穴分别向样品的两端偏转，于是在样品两端产生累积电荷，从而建立起一个电场，由于这个电场是光和磁同时作用产生的，故称为光磁电效应。

光子牵引效应

由于光子具有动量，在半导体中传播的光子与材料中的自由载流子碰撞发生动量传递，载流子从光子那里获得动量，受到有效的推动。在开路条件下，半导体样品内将建立一个纵向电场以阻止载流子的运动，半导体样品两端便产生一个电压。这种现象就叫光子牵引效应。由于这一效应不涉及载流子的产生复合过程，所以响应速度快。1

热电效应物质的某些特性随着入射光辐射的加热作用所引起的温度变化而变化的现象，叫热电效应。包括温差电效应、测辐射热计效应、热释电效应等。

温差电效应

当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时，在该两点间就有电动势产生，通过这两点的闭合回路中就有电流流过，这个现象就叫温差电效应。

测辐射热计效应

入射光辐射的加热作用引起材料电阻率变化的现象称为测辐射热计效应。用电阻温度系数TCR来表示材料电阻与温度的关系。TCR与材料的种类和温度有关，它是描述测辐射热计材料的电阻值对温度变化灵敏程度的基本参数。

热释电效应

某些物质吸收光辐射后将其转换成热量，这个热量使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。1

光致效应应用光电效应应用光敏管

光敏管包括光电管、光电倍增管和像管三类。光电管和光电倍增管都是辐射光的接收器件，完成光信号转变成电信号的功能。光电管广泛应用于光电转换装置，如传真机、电影放映机、录音机、VCD,DVD等设备中。光电倍增管用于电影放映机的还声系统，像管用于摄像机。2

光敏电阻器

光敏电阻器是一种电导率随吸收的光量子多少而变化的电子元件。当某种物质受到光的照射时，载流子浓度增加，从而增加了电导率，这就是光电导效应。这种附加的电导叫光电导。根据光敏电阻器的光谱特性，光敏电阻器可分为以下几类:紫外光敏电阻器，用于探测紫外线;可见光敏电阻器，主要用于自动控制、光电跟踪以及照相机的自动曝光等场合;红外光敏电阻器，主要用于导弹制导、光报警装置、人体病变探测、红外通信等工作中。2

光敏二极管、三极管

硅光敏管有硅光敏二极管、硅光敏三极管两类。硅光敏管的基本结构是PN结，当硅光敏二极管不受光照时，通过PN结的仅是由环境温度产生的微小暗电流及加反向偏压所产生的电流；只有受到光照时，光的能量变成电能，才产生光电流。在光敏三极管中，光信号从基极输入，且可以通过调节偏置得到所需要的工作状态和放大特性。2

光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介、用来传输电信号的器件。通常是把发光器(可见光LED或红外光LED)与受光器(光电半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光照后就产生光电流，由输出端引出，从而实现了“电一光一电”的转换。光电耦合器主要用于稳压电源、光电开关、限幅器及各种逻辑电路中用以代替继电器等装置。2

太阳能电池

硅太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的一种半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在光照条件下PN结两端能产生电动势，接上负载后就形成电流。硅太阳能电源系统利用的是取之不尽的太阳能。硅光电池可组成太阳能手表、太阳能计算器。它还被广泛用于人造卫星、通信系统、电视机、收录机、照明等其他领域。2

热电效应应用温度传感器

温度是表征物体冷热程度的物理量。在很多的情况下我们需要知道一个物体的温度，如在工业中炼铁，要知道炉中的温度则并非易事这使我们对温度计提出了新的要求，即能在高温下工作。而在酿酒的过程中则对温度计的精度提出了更高的要求。生产生活中的需要，促进了新型温度计的诞生—温度传感器。温度传感器与传统的温度计相比有很多的优点，其种类很多，采用的物理学原理也不尽相同，如热敏电阻温度传感器以其具有测温度精度高、测温范围宽等特点，使其在生产生活中的应用日趋广泛。3

热电制冷

随着技术的发展，对热电技术的利用成为现阶段的研究核心，进一步提高效率则是热电技术实际应用的重点。热电冷却器(Thermoelectric,TE)在针对特定目标的冷却方法方面具有一定的优势，热电模块可以解决诸如低温热处理适度性和热管理难题。TE产品在航空航天、生物、医学、工业及商业等领域的具体应用越来越多。在建筑研究领域，对相关技术的研究也正在进行。热电热泵装置产品的关键设备构成简单，没有活动部件，不使用温室气体，能够在其他许多应用中利用低品位余热，这些特点对于热电热泵装置在建筑节能方面具有重大的现实意义。4