半導(dǎo)體的光電效應(yīng)

1、半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 字體選擇： 大 中 小 發(fā)布日期 :2008-04-25 我也要投稿 ! 作者:網(wǎng)絡(luò) 閱讀 : 787、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)按照量子力學(xué)理論 ,由于物質(zhì)內(nèi)原子間靠得很近 , 彼此的能級會互相影響 ,而使原子 能級展寬成一個個能帶。又由于電子是費米子 , 遵從泡利不相容原理。電子以能量大小為 序, 從基態(tài)開始 , 每個量子態(tài)上一個電子向上填充 ,直填到費米能 F為止。再上面的能級 都是空的。被電子填滿的能帶叫滿帶。滿帶中的電子如同很多人擠在一個狹小的空間, 誰也動不了。所以 , 雖然有許多電子 , 但是不能形成定向移動 , 因而滿帶中的電子不是載流 子,是不能導(dǎo)電的。全部空著的能帶

2、稱為空帶。能帶間的間隔叫帶隙（用 Eg表示）或禁帶 ,禁帶不允許有電子存在。 圖1所示的是導(dǎo)體、 絕緣體、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖 1（a） 所示,導(dǎo)體的費米能級 F在一個能帶的中央 , 該能帶被部分填充。由于能帶的亞結(jié)構(gòu)之 間的能量相差很小 , 因此這時只需很少的能量 （ 如一外加電場 ）, 就能把電子激發(fā)到空的能 級上 ,形成定向移動的電流。這正是具有這種能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)被稱為導(dǎo)體的原因。如果某 一能帶剛好被填滿 , 它與上面的空帶間隔著一個禁帶 , 此時大于帶隙間隔的能量才能把電 子激發(fā)到空帶上去。一般帶隙較大 （ 大于 10eV 數(shù)量級 ） 的物質(zhì) , 被稱為絕緣體 , 如圖 1（

3、b） 所 示;而帶隙較小 （小于1eV數(shù)量級 ）的物質(zhì),被稱為半導(dǎo)體 ,如圖1（c） 所示。半導(dǎo)體的費米能 級位于滿帶與空帶之間的禁帶內(nèi) , 此時緊鄰著禁帶的滿帶稱為價帶 ,而上面的空帶稱為導(dǎo) 帶。 如果由于某種原因?qū)r帶頂部的一些電子激發(fā)到導(dǎo)帶底部, 在價帶頂部就相應(yīng)地留下一些空穴 , 從而使導(dǎo)帶和價帶都變得可以導(dǎo)電了。所以半導(dǎo)體的載流子有電子和空穴兩 種?？梢?, 半導(dǎo)體介于導(dǎo)體與絕緣體之間的特殊的導(dǎo)電性是由它的能帶結(jié)構(gòu)決定的。二、半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時 , 由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量 , 使電子從半導(dǎo)體 表面逸出至周圍空間的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成

4、陰極射線管、光電倍 增管和攝像管的光陰極等。 半導(dǎo)體材料的價帶與導(dǎo)帶間有一個帶隙 , 其能量間隔為 Eg。一 般情況下 , 價帶中的電子不會自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶 , 所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。 但如果通過某種方式給價帶中的電子提供能量 , 就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中 , 形成載流子 , 增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵方式。當(dāng)入射光的能量hE(g Eg 為帶隙間隔 )時, 價帶中的電子就會吸收光子的能量 , 躍遷到導(dǎo)帶 , 而在價帶中留下一個空穴 , 形成一對可以 導(dǎo)電的電子空穴對。 這里的電子并未逸出形成光電子 , 但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生 的電效應(yīng)。因此 , 這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。

5、從理論和實驗結(jié)果分析 , 要使價帶 中的電子躍遷到導(dǎo)帶 , 也存在一個入射光的極限能量 , 即 E 入 =h 0=Eg,其中 0是低頻限 ( 即極限頻率 0=Egh)。這個關(guān)系也可以用長波限表示 , 即 0=hcEg。入射光的頻率大于 0或波長小于 0時 ,才會發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小 , 不能使電子由價帶 躍遷到導(dǎo)帶時 , 有可能使電子吸收光能后 ,在一個能帶內(nèi)的亞能級結(jié)構(gòu)間 (即圖1中每個能 帶的細(xì)線間 )躍遷。廣義地說 , 這也是一種光電效應(yīng)。這些效應(yīng) ,可以由半導(dǎo)體材料對光波 的吸收譜線來觀察和分析。三、半導(dǎo)體材料的摻雜與 PN結(jié)的形成半導(dǎo)體材料硅 (Si) 和鍺(Ge)都

6、是第主族元素 , 每個電子的 4個價電子與近鄰的 4個 原子的一個價電子形成共價鍵。如圖 2(a) 所示。這些價電子就是處在價帶中的電子。純凈的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定 , 在室溫下只有極少數(shù)電子能被激發(fā)到禁帶以上的導(dǎo)帶中 去, 形成電子空穴對的載流子。但如果將純凈的半導(dǎo)體材料中摻入微量的雜質(zhì), 就可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大改觀。同時還可以通過摻雜來控制和改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和 其它性能 , 豐富半導(dǎo)體的應(yīng)用。半導(dǎo)體摻雜主要有兩種類型。一種是在純凈的半導(dǎo)體中摻 入微量的第主族雜質(zhì) ,如磷(P) 、砷(As) 、銻(Sb)等。當(dāng)它們在晶格中替代硅原子后 ,它 的五個價電子除了四個與近鄰的硅原子形成共

7、價鍵外, 還多出一個電子吸附在已成為帶正電的雜質(zhì)離導(dǎo)帶 F禁帶周圍,如圖2(b) 所示。這種提供電子的雜質(zhì)叫施主雜質(zhì)。量子 理論分析的結(jié)果表明 , 此時將在靠近半導(dǎo)體導(dǎo)帶下邊緣的禁帶中產(chǎn)生一個施主能級 , 如圖所示。此能級與導(dǎo)帶底能隙很小 , 室溫下 其上的電子也可大量激發(fā)到導(dǎo)帶上去 ,形成載流子。 這種主要依靠施主雜質(zhì)提供電子導(dǎo)電 的半導(dǎo)體,叫 N型半導(dǎo)體。它的多數(shù)載流子 (簡稱多子)是電子,少數(shù)載流子 (簡稱少子 )是 空穴。另一種摻雜是在純凈半導(dǎo)體中摻入微量第主族雜質(zhì),如硼(B) 、鋁(Al) 、鎵(Ga) 、銦(In) 等。此時會形成如圖 2(c) 所示的接受電子的受主雜質(zhì)。這也相當(dāng)于

8、提供了一個空 穴。這種摻雜產(chǎn)生的受主能級在靠近價帶上邊緣的禁帶中。室溫下價帶中的電子可以大 量激發(fā)到受主能級上去 , 而在價帶中留下正載流子空穴 , 如圖 3(b) 所示。這種主要依 靠受主雜質(zhì)提供的空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫 P型半導(dǎo)體。其多子是空穴 , 少子是電子。如果一 塊半導(dǎo)體材料中 ,一部分 P型區(qū)緊鄰著另一部分 N型區(qū),如圖4(a) 所示,由于兩個區(qū)域的多 子類型不同 , 某區(qū)域內(nèi)濃度高的載流子要向另一個區(qū)域擴散。 即 P區(qū)的多子空穴向 N區(qū)擴散 ,而 N區(qū)的多子電子向 P區(qū)擴散。直至在接觸面附近形成一個由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的內(nèi)建場阻止電荷的繼續(xù)擴散 , 達(dá)到動態(tài)平 衡。如圖 4(b)

9、所示。此時在兩區(qū)交界處就形成了 PN結(jié)。四、PN 結(jié)光伏效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換機制半導(dǎo)體 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體吸收光能在PN 結(jié)區(qū)產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。它的主要光電轉(zhuǎn)換過程如下 :當(dāng)用光子能量 hE(g Eg 為帶隙間隔 )的入射光照射半導(dǎo)體 PN結(jié)時, 半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收能量 , 可激發(fā)出電子空穴對。這些非平衡載流子如果運 動到 PN結(jié)附近 , 就會在 PN結(jié)內(nèi)建電場 E 內(nèi)的作用下分離。 電子逆著 E 內(nèi)的方向向 N區(qū)運 動,而空穴沿著 E內(nèi)的方向向 P區(qū)移動,如圖5(a) 所示。結(jié)果在 N區(qū)邊界積累了電子 ,在 P 區(qū)邊界積累了空穴 ,如圖5(b) 所示。這樣就產(chǎn)生了一個與平衡態(tài) PN結(jié)內(nèi)

10、建場方向 (由N區(qū) 指向 P區(qū))相反的光生電場 (由 P區(qū)指向 N區(qū)), 即在 P區(qū)與 N區(qū)間建立了光生電動勢。這 樣就把光能轉(zhuǎn)化成了電能。若在兩極間接上負(fù)載 , 則會有光生電流通過負(fù)載。五、 PN 結(jié)光伏效應(yīng)的應(yīng)用(一)太陽電池。PN 結(jié)光伏效應(yīng)的一個重要的應(yīng)用是利用光照射時,PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電壓制造把太陽光能轉(zhuǎn)化成電能的器件太陽電池。制造太陽電池的材料主要有硅 (Si) 、硫化鎘 (CdS) 和砷化鎵 (GaAs) 等。現(xiàn)在仍有很多新型高效材料正在研究實驗中。目前, 太陽電池的應(yīng)用已十分廣泛。它已成為宇宙飛船、人造衛(wèi)星、空間站的重要長期電源。在其它方面的應(yīng) 用也十分普遍。關(guān)于目前國內(nèi)外太

11、陽電池電源設(shè)備應(yīng)用的情形簡介如下 :宇宙開發(fā)觀測用人造衛(wèi)星、宇宙飛船、通訊用人造衛(wèi)星航空運輸飛機、機場燈標(biāo)、航空障礙燈、地對空無線電通訊氣象觀測無人氣象站、積雪測量計、水位觀測計、地震遙測儀航線識別航標(biāo)燈、浮子障礙燈、燈塔、潮流計通訊設(shè)備無線電通訊機、步談機、電視廣播中繼站農(nóng)畜牧業(yè)電圍欄、水泵、溫室、黑光燈、噴霧器、割膠燈公路鐵路無人信號燈、公路導(dǎo)向板、障礙閃光燈、備急電話 日常生活照相機、手表、野營車、游艇、手提式電視機、閃光燈太陽電池的基本結(jié)構(gòu)是 : 把一個大面積 PN結(jié)做好上下電極的接觸引線就構(gòu)成一個太 陽電池。為更好地接受日光照射 , 正面電極不能遮光 , 常做成柵狀。為了減少入射光的

12、反 射, 一般在表面層上再做一層減反射膜 , 表面層下是 PN結(jié), 底電極一般做成大面積的金屬 板。如圖 6所示。圖 7為兩種實際應(yīng)用的太陽電池板。例如 2002年春季普通高中畢業(yè)會考的物理試題中有這樣一個選擇題: 例: 許多人造衛(wèi)星都用太陽能電池供電。太陽能電池由許多片電池板組成。當(dāng)太陽光照射某電池板時 , 該 電池板的開路電壓是 600mV,短路電流是 30mA,那么, 這塊電池板的內(nèi)電阻是 ()A.10 B.20 C.40 D.60 由閉合電路歐姆定律不難得出 , 內(nèi)電阻為 600mV/30mA=20 .即選項 B正確。（二）光電探測器。光電探測器也是對半導(dǎo)體光電效應(yīng)的重要應(yīng)用。光電探測器是指對各種光輻射進(jìn)行 接收和探測的器件。其中光敏管 （ 包括各種光敏二極管、光敏三極管和一些