1、半导体中的光电效应贵州民族学院理学院论文 华人论文网http:/杨阿楠关键字：半导体 光电效应 光电导效应 光伏效应i半导体光电效应 华人论文网http:/Semiconductor photoelectric effectYang A nanAbstract: This tutorial on the science of semiconductors and the history of the photoelectric effect was introduced，Semiconductor photoelectric effect and the laws of some of the
2、 content were discussed 。I Described the types of semiconductor photoelectric effect and the external photoelectric effect 。to study the photoelectric effect and its applications in solar energy。Highlighted the semiconductor photoconductive effect and the application of the photovoltaic effect， desc
3、ribed the mechanism of the camera electronic shutter，Finally，the application of semiconductor photoelectric effect and the outlook for their own ideas and suggestions.。This addition to the photoelectric effect in semiconductors, introduced the application, but also on the band structure of semicondu
4、ctors, semiconductor doping are described. Which detailed Explained the line into the PN junction, the photovoltaic effect, photoelectric conversion mechanism. In the application of the photoelectric effect introduced, it is also its working principle and characteristics are analyzed.Keywords: Semic
5、onductor Photoelectric effect Photoconductive effect Photovoltaic effectii作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/目录第一章 半导体及光电效应的发展史 - 11.1 简介 - 11.2 半导体的发展史 - 11.3 光电效应的发展史 - 2第二章 半导体和光电效应的理论 - 32.1 半导体的简介 - 32.2 半导体的定义 - 32.3 PN 结形成及单向导电性 - 52.4 光电效应概述及发展 - 102.5 光电效应种类 - 113.1 半导体的能带结构 - 143.2 半
6、导体的内光电效应 - 153.3 半导体材料的掺杂与 PN 结的形成- 153.4 PN 结光伏效应的光电转换机制 - 163.5 半导体光伏效应的应用 - 173.6 半导体光电导效应的应用 - 19 致谢 - 21iii贵州民族学院理学院论文 华人论文网http:/第一章 半导体及光电效应的发展史1.1 简介自从有人类以来，已经过了上百万年的岁月。社会的进步可用当时人类使用的器物来代表，从远古的石器时代、到铜器，再进步到铁器时代。现今，以硅为原料的电子元件产值，则超过了以刚为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新的时代，也就是硅的时代。硅所代表的正式半导体元件，包括记忆元件、微处理器、
7、逻辑元件、光电元件与侦测器等等在内，举凡电视、电话、电脑、电冰箱、汽车，这些半导体元件无时无刻都在为我们服务。 上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪 70年代初石英光导纤维材料和 GaAs 激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程” 。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着
8、世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。1.2 半导体的发展史1947 年 12 月 23 日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。在晶体管技术日新月异的 60 年里，有太多的技术发明与突破，也有太多为之做出重要贡献的人，更有半导体产业分分合合、聚聚散散的恩怨情仇，当然其中还记载了众多半导体公司的浮浮沉沉。1959 年首次将集成电路技术推向商用化的飞兆半导体公司，也是曾经孵化出包括AMD、美国国LSI Logic、1半导体光电效应 华人论文网http:/VLSI Technology、Intersil、Altera 和 Xilinx 等等业界众多
9、巨擘的飞兆半导体，现在已成为专注于功率和能效的公司；曾经在上世纪 80 年代中连续多年位居半导体产业榜首的 NEC，在 90 年代中跌出前 10 后，再也没有东山再起；更有与发明第一块晶体管的贝尔实验室有着直系血缘的杰尔(Agere)，通过多次变卖，被“四分五裂”找不到踪迹。世上没有常胜的将军。曾经的呼风唤雨，并不代表能成为永久的霸主。当我们用历史的眼观来看今天的半导体产业，我们有什么启示呢？全球半导体产业正在东移，以台积电为首的晶圆代工将成为全球半导体工艺与产能双双领先的公司；传统的 IDM 厂商都向轻资厂转变，65nm 已鲜有 IDM 跟踪，至 45nm 时除了 memory 厂商外，仅剩
10、英特尔一家了；AMD 在 2008 年将芯片制造部分剥离出来也说明了这一点。私募基金正在加速半导体业的整合，未来每个产业仅有前五名是可以生存的；PC 在主导半导体产业 10 多年后，正让位于消费电子，英特尔还能守住霸主地位多久？以台湾联发科为代表的新一代 IC 公司的崛起，使得众多欧美大厂不再轻易放弃低利润行业，未来的半导体产业会逐渐成为一个成熟的产业，一个微利的产业。1.3 光电效应的发展史光电效应由德国物理学家赫兹（M.Hertz） 1 于 1887 年发现，对发展量子理论起了根本性作用。1887 年，首先是赫兹在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，
11、则在两个小球之间就非常容易跳过电花。大约 1900 年，马克思 布朗克（Max Planck） 2 对光电效应做出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。 他给这一理论归咎成一个等式，也E 就是光所具有的“ 包裹式”能量，h 是一个常数，就是 E?hf，统称布朗克常数（Plancksconstant） ， 而 f 就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布朗克自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。1902 年，勒纳德（Lenard） 3 也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论
12、加以解释 ；1905 年，爱因斯坦（Albert Einstein） 4 26 岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得 1921 年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek?hf?W，W 便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而 Ek 呢就是电子自由后具有的势能。2作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/第二章 半导体和光电效应的理论2.1 半导体的简介物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金
13、属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到 20 世纪 30 年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑 IC、模拟 IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照 IC、LSI、VLSI（超大 LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。2.2 半导体的定义电阻率介
14、于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在 10E?510E7 欧米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等） 、-族化合物(硫化镉、硫化锌等) 、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和 -族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等） 。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。半导体：意指半导体收音机，因收音机中的晶体管由半导体材料制成而得名。2.2.1 本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极
15、低温度下，半导体的价带是满带(见第四章能带理论部分)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子 空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热3半导体光电效应 华人论文网http:/振动能量（发热） 。在一定温度下，电子 空穴对的产生和复合同时存在并
16、达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。2.2.2 半导体的特点半导体五大特性：电阻率特性、导电特性、光电特性、负的电阻率温度特性、整流特性。在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，半导体的电阻率会发生改变，使其导电性能具有可控性，在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属
17、的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动） ，形成空穴电流。本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。载流子：运载电荷的粒子称为载流子。导体导电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本
18、征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高） ，导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度4作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/ 降低，导电性能变差
19、。结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。2.3 PN 结形成及单向导电性2.3.1 P、N 型半导体的定义和导电特性N 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷） ，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 N 型半导体。P 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼） ，使之取代晶格中硅原子的位置，形成 P 型半导体。PN 结的形成：将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成 PN 结。杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。多数载
20、流子：N 型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。少数载流子：N 型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施主原子。N 型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。P 型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。多子：P 型半导体中，多子为空穴。少子：P 型半导体中，少子为电子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。2.3.2 PN 结的行成PN 结的形成过程：在杂质半导体中， 正
21、负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。1.载流子的浓度差产生的多子的扩散运动5半导体光电效应 华人论文网http:/在 P 型半导体和 N 型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N 型区内的电子很多而空穴很少，P 型区内的空穴很多而电子很少，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子要从 N 型区向 P 型区扩散， 也有一些空穴要从 P 型区向N 型区扩散。2.电子和空穴的复合形成了空间电荷区电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合（中和） ，结果使 P 区和 N 区中原来的电中性被破坏。 P 区失去空穴留下带负电的离子，
22、N 区失去电子留下带正电的离子， 这些离子因物质结构的关系，它们不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在 P 区和 N 区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的 PN 结。3.空间电荷区产生的内电场 E 又阻止多子的扩散运动如图 2.3.2 所示，在空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场。因为内电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。综上所述，PN 结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力的
23、扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和 内建电场才能相对稳定。 由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN 结中无宏观电流2.3.3PN 结的单向导电性6作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/ PN 结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。P 端接电源的正极，N 端接电源的负极称之为 PN 结正偏。此时 PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。P 端接电源的负极，N 端接电源的正极称之为 PN 结反偏，此
24、时 PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN 结会发生击穿而损坏。1外加正向电压当 PN 结外加正向电压（如图 2.3.3.1 所示）时，外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使空间电荷区（PN 结）变窄。同时空间电荷区中载流子的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压用 VF 表示。在 VF 作用下，通过 PN 结的电流称为正向电流 IF。外加正向电压的电路如图所示2、外加反向电压当 PN 结外加反向电压（如图 2.3.3.2 所示）时，外电场与内电场的方向相同，内电场变强，结果使空间电荷区（PN 结）变宽, 同时空间电荷区中载流子
25、的浓度减小，电阻变大。这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电压用 VR 表示。在 VR 作用下，通过 PN结的7半导体光电效应 华人论文网http:/电流称为反向电流 IR 或称为反向饱和电流 Is。如下图所示。在杂质半导体中， 正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。空间电荷区：扩散到 P 区的自由电子与空穴复合，而扩散到 N 区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P 区出现负离子区，N 区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。电场形成：空间电荷区形成内电场
26、。空间电荷加宽，内电场增强，其方向由 N 区指向 P 区，阻止扩散运动的进行。漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。宽度，形成电位差 Uho，电流为零。耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析 PN 结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。3、PN 结的伏安特性伏安特性曲线：加在 PN 结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图 2.3.3.3.1 所示。正向特性：V0 的部分称为正向特性。反向特性：V0 的部分称为反向特性。VDVR 根据理论分析，PN 结的伏安特性可以表达为： iD?Is(e?1)8作者：杨阿楠（理
27、学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/ 式中 iD 为通过 PN 结的电流，VD 为 PN 结两端的外加电压；VR 为温度的电压当量VR?kTT?0.026Vq11600， 其中 k 为波尔兹曼常数（1.3810-23J/K） ，T 为绝对温度（300K ） ，q 为电子电荷（1.6?10?19C） ；e 为自然对数的底；Is 为反向饱和电流。反向击穿：当反向电压超过一定数值 U（BR）后，反向电流急剧增加，称之反向击穿。 势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容 Cb。变容二极管：当 PN 结加反向电压时，Cb 明显随 u 的变化而变化，而制成各种变容二极
28、管。如下图所示。9半导体光电效应 华人论文网http:/平衡少子：PN 结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。非平衡少子：PN 结处于正向偏置时，从 P 区扩散到 N 区的空穴和从N 区扩散到 P 区的自由电子均称为非平衡少子。扩散电容：扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种电容效应称为 Cd。结电容：势垒电容与扩散电容之和为 PN 结的结电容 Cj。2.4 光电效应概述及发展1.光电效应概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect） 。光电效应分为光电子发射、光电导
29、效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。赫兹于 1887 年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光
30、的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的色散。2.光电效应的理论发展光电效应由德国物理学家赫兹于 1887 年发现，对发展量子理论起了根本性作用。1887 年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫
31、外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。10作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/ 大约 1900 年， 马克思布兰科（Max Planck）对光电效应做出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。 他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf ， E 就是光所具有的“包裹式”能量， h 是一个常数，统称布兰科常数（Plancks constant） ， 而 f 就是光源的频率。 也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。1902 年，勒纳（ Lenard)也对其进行
32、了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释 ；1905 年，爱因斯坦 26 岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得 1921 年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek?hf?W，W 便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而 Ek 呢就是电子自由后具有的势能。2.5 光电效应种类光电效应分为：外光电效应和内光电效应。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。 外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。1、外光电效
33、应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。外光电效应的一些实验规律a仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长?0 叫做极限波长。不同物质的极限频率和相应的极限波长?0 是不同的。一些金属的极限波长(单位：埃)：b光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。c阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子束和照射发光强度成正比。d从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过 10?9 秒；停止用光照射，光电11半导体光电效应
34、华人论文网http:/流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。e爱因斯坦方程：hv?12mv?I?W 21 式中 mv2 是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的 21 特征，因而对于金属来说，I 项可以略去，爱因斯坦方程成为 hv?mv2?I?W 假如 2hv?W，电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最小光频率(极限频率) u0。由 hv0?W 确定。相应的极限波长为?0?0?。 发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加，因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。 算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式： 光子能量 = 移出一个电子
35、所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式：hf?Em ?hf0 Em?12mv 其中 h 是普朗克常数，2h?6.63?10?34Js，f 是入射光子的频率，?是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，f0 是光电效应发生的阀值频率，Em 是被射出的电子的最大动能，m 是被发射电子的静止质量，v 是被发射电子的速度注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（? ） ，就不会有电子射出。功函数有时又以 W 标记。 这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期） ，可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。 爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得 1921 年诺贝
36、尔物理学奖 。基于外光电效应的电子元件有光电管、光电倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。2、内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应） 。光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。12作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网
37、 http:/ 光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。 势垒效应（结光电效应）光照射 PN 结时，若 hv?Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向 N 区外侧，空穴偏向 P 区外侧，使P 区带正电，N 区带负电，形成光生电动势。 侧向光电效应（丹培效应）当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。 光电磁效应半导体受
38、强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的霍尔效应。 贝克勒耳效应是指液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。3 光子牵引效应当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应。光电效应的现象和规律以及爱因斯坦的光子说和光电效应方程是物理教学中光电部分的重点。目前
39、大部分教材中讲述的光电子逸出金属表面的现象只是其中的一种,通常称之为外光电效应或光电发射。而光照射到半导体等材料表面,由于材料原子能级结构的特殊性 ,虽然有时不产生逸出的光电子,但材料内部的电子能量、载流子浓度、分布及内部场的情况却可能随光照发生较大的变化。从而形成各种电磁效应或现象,这些现象一般统称为内光电效应。现在广泛应用的太阳电池和各种以光敏元件为基础的光电探测器都是在内13半导体光电效应 华人论文网http:/光电效应的基础上研制、开发出来的。因此在研究光电效应的过程中，在说明外光电效应的同时适当补充内光电效应的内容，不仅可以加强对光电效应和能量转化的认识，还可以加强对物理与生产、生活
40、实际和科技发展联系的认识。3.1 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 3.1.1 所示的是导体、绝缘体、半导体的
41、能带结构示意图。如图 3.1.1 (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 3.1.1(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 3.3.1(c)所示。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内 ,
42、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。作者：杨阿楠（理学院） 专业：应用物理 指导老师：蔡勋明 华人论文网 http:/3.2 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 hv?Eg (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
