半导体的光电效应

1、半导体的光电效应 字体选择： 大 中 小 发布日期 :2008-04-25 我也要投稿 ! 作者:网络 阅读 : 787、半导体的能带结构按照量子力学理论 ,由于物质内原子间靠得很近 , 彼此的能级会互相影响 ,而使原子 能级展宽成一个个能带。又由于电子是费米子 , 遵从泡利不相容原理。电子以能量大小为 序, 从基态开始 , 每个量子态上一个电子向上填充 ,直填到费米能 F为止。再上面的能级 都是空的。被电子填满的能带叫满带。满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间, 谁也动不了。所以 , 虽然有许多电子 , 但是不能形成定向移动 , 因而满带中的电子不是载流 子,是不能导电的。全部空着的能带

2、称为空带。能带间的间隔叫带隙（用 Eg表示）或禁带 ,禁带不允许有电子存在。 图1所示的是导体、 绝缘体、半导体的能带结构示意图。 如图 1（a） 所示,导体的费米能级 F在一个能带的中央 , 该能带被部分填充。由于能带的亚结构之 间的能量相差很小 , 因此这时只需很少的能量 （ 如一外加电场 ）, 就能把电子激发到空的能 级上 ,形成定向移动的电流。这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。如果某 一能带刚好被填满 , 它与上面的空带间隔着一个禁带 , 此时大于带隙间隔的能量才能把电 子激发到空带上去。一般带隙较大 （ 大于 10eV 数量级 ） 的物质 , 被称为绝缘体 , 如图 1（

3、b） 所 示;而带隙较小 （小于1eV数量级 ）的物质,被称为半导体 ,如图1（c） 所示。半导体的费米能 级位于满带与空带之间的禁带内 , 此时紧邻着禁带的满带称为价带 ,而上面的空带称为导 带。 如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部, 在价带顶部就相应地留下一些空穴 , 从而使导带和价带都变得可以导电了。所以半导体的载流子有电子和空穴两 种。可见 , 半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。二、半导体的内光电效应当光照射到半导体表面时 , 由于半导体中的电子吸收了光子的能量 , 使电子从半导体 表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成

4、阴极射线管、光电倍 增管和摄像管的光阴极等。 半导体材料的价带与导带间有一个带隙 , 其能量间隔为 Eg。一 般情况下 , 价带中的电子不会自发地跃迁到导带 , 所以半导体材料的导电性远不如导体。 但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量 , 就可以将其激发到导带中 , 形成载流子 , 增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hE(g Eg 为带隙间隔 )时, 价带中的电子就会吸收光子的能量 , 跃迁到导带 , 而在价带中留下一个空穴 , 形成一对可以 导电的电子空穴对。 这里的电子并未逸出形成光电子 , 但显然存在着由于光照而产生 的电效应。因此 , 这种光电效应就是一种内光电效应。

5、从理论和实验结果分析 , 要使价带 中的电子跃迁到导带 , 也存在一个入射光的极限能量 , 即 E 入 =h 0=Eg,其中 0是低频限 ( 即极限频率 0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示 , 即 0=hcEg。入射光的频率大于 0或波长小于 0时 ,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小 , 不能使电子由价带 跃迁到导带时 , 有可能使电子吸收光能后 ,在一个能带内的亚能级结构间 (即图1中每个能 带的细线间 )跃迁。广义地说 , 这也是一种光电效应。这些效应 ,可以由半导体材料对光波 的吸收谱线来观察和分析。三、半导体材料的掺杂与 PN结的形成半导体材料硅 (Si) 和锗(Ge)都

6、是第主族元素 , 每个电子的 4个价电子与近邻的 4个 原子的一个价电子形成共价键。如图 2(a) 所示。这些价电子就是处在价带中的电子。纯净的半导体材料结构比较稳定 , 在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中 去, 形成电子空穴对的载流子。但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质, 就可以使半导体的导电性能大大改观。同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和 其它性能 , 丰富半导体的应用。半导体掺杂主要有两种类型。一种是在纯净的半导体中掺 入微量的第主族杂质 ,如磷(P) 、砷(As) 、锑(Sb)等。当它们在晶格中替代硅原子后 ,它 的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共

7、价键外, 还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带 F禁带周围,如图2(b) 所示。这种提供电子的杂质叫施主杂质。量子 理论分析的结果表明 , 此时将在靠近半导体导带下边缘的禁带中产生一个施主能级 , 如图所示。此能级与导带底能隙很小 , 室温下 其上的电子也可大量激发到导带上去 ,形成载流子。 这种主要依靠施主杂质提供电子导电 的半导体,叫 N型半导体。它的多数载流子 (简称多子)是电子,少数载流子 (简称少子 )是 空穴。另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第主族杂质,如硼(B) 、铝(Al) 、镓(Ga) 、铟(In) 等。此时会形成如图 2(c) 所示的接受电子的受主杂质。这也相当于

8、提供了一个空 穴。这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。室温下价带中的电子可以大 量激发到受主能级上去 , 而在价带中留下正载流子空穴 , 如图 3(b) 所示。这种主要依 靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫 P型半导体。其多子是空穴 , 少子是电子。如果一 块半导体材料中 ,一部分 P型区紧邻着另一部分 N型区,如图4(a) 所示,由于两个区域的多 子类型不同 , 某区域内浓度高的载流子要向另一个区域扩散。 即 P区的多子空穴向 N区扩散 ,而 N区的多子电子向 P区扩散。直至在接触面附近形成一个由 N 区指向 P 区的内建场阻止电荷的继续扩散 , 达到动态平 衡。如图 4(b)

9、所示。此时在两区交界处就形成了 PN结。四、PN 结光伏效应的光电转换机制半导体 PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN 结区产生电动势的效应。它的主要光电转换过程如下 :当用光子能量 hE(g Eg 为带隙间隔 )的入射光照射半导体 PN结时, 半导体内的电子吸收能量 , 可激发出电子空穴对。这些非平衡载流子如果运 动到 PN结附近 , 就会在 PN结内建电场 E 内的作用下分离。 电子逆着 E 内的方向向 N区运 动,而空穴沿着 E内的方向向 P区移动,如图5(a) 所示。结果在 N区边界积累了电子 ,在 P 区边界积累了空穴 ,如图5(b) 所示。这样就产生了一个与平衡态 PN结内

10、建场方向 (由N区 指向 P区)相反的光生电场 (由 P区指向 N区), 即在 P区与 N区间建立了光生电动势。这 样就把光能转化成了电能。若在两极间接上负载 , 则会有光生电流通过负载。五、 PN 结光伏效应的应用(一)太阳电池。PN 结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN 结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件太阳电池。制造太阳电池的材料主要有硅 (Si) 、硫化镉 (CdS) 和砷化镓 (GaAs) 等。现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。目前, 太阳电池的应用已十分广泛。它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。在其它方面的应 用也十分普遍。关于目前国内外太

11、阳电池电源设备应用的情形简介如下 :宇宙开发观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星航空运输飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯气象观测无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪航线识别航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计通讯设备无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站农畜牧业电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯公路铁路无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话 日常生活照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯太阳电池的基本结构是 : 把一个大面积 PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太 阳电池。为更好地接受日光照射 , 正面电极不能遮光 , 常做成栅状。为了减少入射光的

12、反 射, 一般在表面层上再做一层减反射膜 , 表面层下是 PN结, 底电极一般做成大面积的金属 板。如图 6所示。图 7为两种实际应用的太阳电池板。例如 2002年春季普通高中毕业会考的物理试题中有这样一个选择题: 例: 许多人造卫星都用太阳能电池供电。太阳能电池由许多片电池板组成。当太阳光照射某电池板时 , 该 电池板的开路电压是 600mV,短路电流是 30mA,那么, 这块电池板的内电阻是 ()A.10 B.20 C.40 D.60 由闭合电路欧姆定律不难得出 , 内电阻为 600mV/30mA=20 .即选项 B正确。（二）光电探测器。光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。光电探测器是指对各种光辐射进行 接收和探测的器件。其中光敏管 （ 包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些