光电效用的应用.docVIP

化学工程与工艺1101班 刘砚超 陈佑杰 林 平 光电效应在半导体中的应用 半导体及其量子力学无疑是 20 世纪最伟大的科学成就之一， 它的诞生是人类对自然界， 尤其对微观世界的认识有了质的飞跃， 对许多造福人类的高新技术的发展起了奠 基、催生和巨大的推动作用。 自 20 世纪中期开始，电子工业取得了长足的进步，目前已成为世界上最大 的产业，而其基础为半导体材料。为了适应电子工业的巨大需求，从第一代半导 体材料：硅、锗（1822 年，瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质 硅。 ）发展到第二代半导体材料：——Ⅴ族化合物，再到现在的第三代半导体 材料：宽带隙半导体。半导体领域取得了突飞猛进的发展。 一、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 ） 。 这 一现1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论 时偶然发现的。1905 年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性 观点》一文中，用光量子理论对进行了全面的解释。1916 年，美 国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也 证明了光量子理论。分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象 发生在物体表面，物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，又称外光电 效应。后两种现象发生在物体内部，物体受光照射后，其内部的原子释放出电 子并不溢出物体表面，而是仍留在内部，称为内。内在 光电器件和光电子技术中具有重要的作用， 根据这些效应可制成不同的光电转换器件（光敏器件）。通过大量的实验总结出具有如下实验规律1、每一种金属在产生是都存在一极限频率（或称截止频 率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长 （或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无 光电子逸出。 2、中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无 关。 3、的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限 频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，响应时间不超过 十的负九次方秒（1ns）。 4、入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由 单位面积是逸出的光电子数目。 1、外 不言而喻，就是物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，的 发现与最初的研究就是主要通过外来进行的。 2.光电导效应 2. 光电导效应 光吸收使半导体中形成非平衡载流子(光生载流子)，载流子浓度的增 大使其电导率 σ 增大，所引起的附加电导率称为光电导。光电导效应是光 电子器件的基础。半导体材料对光的吸收系数随光的波长而变化，所以光 电导具有一定的光谱分布。 3.光生伏特效应 3. 光生伏特效应 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量 的光子能够在 P 型硅和 N 型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－ 空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作 用被相互分离。非平衡的载流子从产生处向势垒区（结区）运动；非平衡的电 子和空穴在结区势场的作用下向相反的方向运动而分离。P 区的非平衡电子穿过 p-n 结进入 n 区，而 n 区的非平衡空穴进入 p 区，从而在 p 型和 n 型区有电荷积 累。由于 p 区边界积累非平衡空穴，n 区边界积累非平衡电子，产生一个与平衡 p-n 结内电场方向相反的光生电场，于是在 p 区和 n 区建立了光生电动势。 此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来 说，开路电压的典型数值为 0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空 穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大， 在太阳能电池中形成的电流也越大。二 、1.光电探测器 光电探测器 光电探测器是通过电过程探测光信号的半导体器件。 伴随着相干和非相干光 源相远红外波段及紫外波段的扩展， 对高速、 高灵敏光电探测器的需求迅速增加， 通常来讲，光电探测器包括三个基本过程：1）入射光产生载流子；2）通过某种 电流增益机制形成载流子的输入和倍增；3）载流子形成端电流，提供输出信号。 在红外波段（0.8~1.6um）的光纤通信系统中，光电探测器十分重要，它可 对光信号进行解调，即将光的变化转化为电学量的变化，然后将电学量放大并进 一步处理。对于此类，光电探测器必须满足若干要求，例如在工作波段上要 有高的灵敏度、快速的响应速度和低噪声。另外，光电探测器的体积应该较小， 工作偏置电压和电流低，并且在使用条件下可靠工作。 1983 年1985年间，人们首次研究了量子阱中导带内、价带内的非带间跃 迁的红外吸收。 第一个基于束缚态到束缚态子带间