半導體內光電效應及其應用簡介

摘 要：本文對高中物理教材中的光電效應現象及規律部分的內容進行了探討和補充，重點介紹了半導體的內光電效應中的PN結光伏效應及其在太陽電池等方面的應用。最后，作者還對在中學如何拓展物理知識、如何與大學教學銜接等教改中的問題提出了自己的想法和建議。

關鍵詞：內光電效應；半導體；PN結；高中物理教學

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1009-010X（2007）01-0020-04

光電效應的現象和規律以及愛因斯坦的光子說和光電效應方程是高中物理教學中的重點。近幾年的高考考試大綱中對這幾個知識點都做了較高（Ⅱ類）要求。人民教育出版社出版的高中教材《物理》第三冊的第二十一章《量子論初步》中的第一節“光電效應-光子”中介紹的光電效應的概念為：在光的照射下物體發射電子的現象，叫做光電效應，發射出來的電子叫光電子。而后主要介紹和分析了光照射到金屬表面產生逸出表面的光電子的現象及規律。高中教材中講述的光電子逸出金屬表面的現象只是其中的一種，通常稱之為外光電效應或光電發射。而光照射到半導體等材料表面，由于材料原子能級結構的特殊性，雖然有時不產生逸出的光電子，但材料內部的電子能量、載流子濃度、分布及內部場的情況卻可能隨光照發生較大的變化。從而形成各種電磁效應或現象，這些現象一般統稱為內光電效應。現在廣泛應用的太陽電池和各種以光敏元件為基礎的光電探測器都是在內光電效應的基礎上研制、開發出來的。因此，在高中物理課中進行“光電效應”部分的教學時，適當地補充內光電效應及其應用的內容，不僅使學生對光電效應、能量轉化有更全面的認識，而且加強了學生對物理與生產、生活實際和科技發展聯系的認識。因而是很值得嘗試的。

一、半導體的能帶結構

按照量子力學理論，由于物質內原子間靠得很近，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，從基態開始，每個量子態上一個電子向上填充，直填到費米能εF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，是不能導電的。全部空著的能帶稱為空帶。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所示的是導體、絕緣體、半導體的能帶結構示意圖。如圖1（a）所示，導體的費米能級εF在一個能帶的中央，

該能帶被部分填充。由于能帶的亞結構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構的物質被稱為導體的原因。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到空帶上去。一般帶隙較大（大于10eV數量級）的物質，被稱為絕緣體，如圖1（b）所示；而帶隙較小（小于1eV數量級）的物質，被稱為半導體，如圖1（c）所示。

半導體的費米能級位于滿帶與空帶之間的禁帶內，此時緊鄰著禁帶的滿帶稱為價帶，而上面的空帶稱為導帶。如果由于某種原因將價帶頂部的一些電子激發到導帶底部，在價帶頂部就相應地留下一些空穴，從而使導帶和價帶都變得可以導電了。所以半導體的載流子有電子和空穴兩種。可見，半導體介于導體與絕緣體之間的特殊的導電性是由它的能帶結構決定的。

二、半導體的內光電效應

當光照射到半導體表面時，由于半導體中的電子吸收了光子的能量，使電子從半導體表面逸出至周圍空間的現象叫外光電效應。利用這種現象可以制成陰極射線管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導體材料的價帶與導帶間有一個帶隙，其能量間隔為Eg。一般情況下，價帶中的電子不會自發地躍遷到導帶，所以半導體材料的導電性遠不如導體。但如果通過某種方式給價帶中的電子提供能量，就可以將其激發到導帶中，形成載流子，增加導電性。光照就是一種激勵方式。當入射光的能量hν≥Eg（Eg為帶隙間隔）時，價帶中的電子就會吸收光子的能量，躍遷到導帶，而在價帶中留下一個空穴，形成一對可以導電的電子——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生的電效應。因此，這種光電效應就是一種內光電效應。從理論和實驗結果分析，要使價帶中的電子躍遷到導帶，也存在一個入射光的極限能量，即E入=hν0=Eg，其中ν0是低頻限（即極限頻率ν0= ）。這個關系也可以用長波限表示，即λ0= 。入射光的頻率大于ν0或波長小于λ0時，才會發生電子的帶間躍遷。當入射光能量較小，不能使電子由價帶躍遷到導帶時，有可能使電子吸收光能后，在一個能帶內的亞能級結構間（即圖1中每個能帶的細線間）躍遷。廣義地說，這也是一種光電效應。這些效應，可以由半導體材料對光波的吸收譜線來觀察和分析。

三、 半導體材料的摻雜與PN結的形成

半導體材料硅（Si）和鍺（Ge）都是第Ⅳ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。純凈的半導體材料結構比較穩定，在室溫下只有極少數電子能被激發到禁帶以上的導帶中去，形成電子——空穴對的載流子。但如果將純凈的半導體材料中摻入微量的雜質，就可以使半導體的導電性能大大改觀。同時還可以通過摻雜來控制和改變半導體的導電性和其它性能，豐富半導體的應用。

半導體摻雜主要有兩種類型。一種是在純凈的半導體中摻入微量的第Ⅴ主族雜質，如磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等。當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價鍵外，還多出一個電子吸附在已成為帶正電的雜質離子周圍，如圖2（b）所示。這種提供電子的雜質叫施主雜質。量子理論分析的結果表明，此時將在靠近半導體導帶下邊緣的禁帶中產生一個施主能級，如圖3（a）所示。此能級與導帶底能隙很小，室溫下其上的電子也可大量激發到導帶上去，形成載流子。這種主要依靠施主雜質提供電子導電的半導體，叫N型半導體。它的多數載流子（簡稱多子）是電子，少數載流子（簡稱少子）是空穴。另一種摻雜是在純凈半導體中摻入微量第Ⅲ主族雜質，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。這也相當于提供了一個空穴。這種摻雜產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提供的空穴導電的半導體叫P型半導體。其多子是空穴，少子是電子。

如果一塊半導體材料中，一部分P型區緊鄰著另一部分N型區，如圖4（a）所示，由于兩個區域的

多子類型不同，某區域內濃度高的載流子要向另一個區域擴散。即P區的多子空穴向N區擴散，而N區的多子電子向P區擴散。直至在接觸面附近形成一個由N區指向P區的內建場阻止電荷的繼續擴散，達到動態平衡。如圖4（b）所示。此時在兩區交界處就形成了PN結。

四、PN結光伏效應的光電轉換機制

半導體PN結的光生伏特效應是指半導體吸收光能在PN結區產生電動勢的效應。它的主要光電轉換過程如下：

當用光子能量hν≥Eg（Eg為帶隙間隔）的入射光照射半導體PN結時，半導體內的電子吸收能量，可激發出電子——空穴對。這些非平衡載流子如果運動到PN結附近，就會在PN結內建電場E內的作用下分離。電子逆著E內的方向向N區運動，而空穴沿著E內的方向向P區移動，如圖5（a）所示。結果

在N區邊界積累了電子，在P區邊界積累了空穴，如圖5（b）所示。這樣就產生了一個與平衡態PN結內建場方向（由N區指向P區）相反的光生電場（由P區指向N區），即在P區與N區間建立了光生電動勢。這樣就把光能轉化成了電能。若在兩極間接上負載，則會有光生電流通過負載。

五、PN結光伏效應的應用

（一）太陽電池。

PN結光伏效應的一個重要的應用是利用光照射時，PN結產生的光生電壓制造把太陽光能轉化成電能的器件——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，太陽電池的應用已十分廣泛。它已成為宇宙飛船、人造衛星、空間站的重要長期電源。在其它方面的應用也十分普遍。關于目前國內外太陽電池電源設備應用的情形簡介如下：

宇宙開發——觀測用人造衛星、宇宙飛船、通訊用人造衛星…航空運輸——飛機、機場燈標、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——航標燈、浮子障礙燈、燈塔、潮流計…通訊設備——無線電通訊機、步談機、電視廣播中繼站…農畜牧業——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…

太陽電池的基本結構是：把一個大面積PN結做好上下電極的接觸引線就構成一個太陽電池。為更好地接受日光照射，正面電極不能遮光，常做成柵狀。為了減少入射光的反射，一般在表面層上再做一層減反射膜，表面層下是PN結，底電極一般做成大面積的金屬板。如圖6所示。圖7為兩種實際應用的太陽電池板。

例如2002年春季普通高中畢業會考的物理試題中有這樣一個選擇題：

例：許多人造衛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，這塊電池板的內電阻是（ ）。

A.10ΩB.20ΩC.40ΩD.60Ω

由閉合電路歐姆定律不難得出，內電阻為600mV/30mA=20Ω.即選項B正確。

（二）光電探測器。

光電探測器也是對半導體光電效應的重要應用。光電探測器是指對各種光輻射進行接收和探測的器件。其中光敏管（包括各種光敏二極管、光敏三極管和一些光敏晶體管）是此類光電器件的重要組成部分。它與我們高中教材傳感器實驗中研究的光敏電阻都是實行光電信號轉化的裝置。光電探測器在科技、生活、生產和國防建設中都有著重要的應用。例如數碼照相機、數碼攝像機、天文顯微鏡、GPS全球定位系統、氣象衛星拍攝的氣象云圖、巡航導彈目標定位等等。這些應用中最基本的是有一個非常靈敏的光電探測器。圖8所示是一些實際應用中的光電探測器件的圖片。

六、對今后物理教學的思考與建議

通過適當考查教材中沒有學過的內容來考查學生的自學能力及分析、解決問題的能力，是現在考試評價體系的一個發展趨勢。它旨在更加全面地考核學生的科學素養。這就要求我們中學教師在教學中不能完全照本宣科，而應該以教學大綱為本，在內容上，嘗試深入淺出地適當拓展與補充。以使學生對物理的現象、規律有更本質和深入的認識，提高科學素質，并與今后在大學中的繼續學習和研究更好地銜接。

以筆者在教學實踐中的體會，中學物理教學的拓展與補充的形式可以是多種多樣的。可以在課堂教學中滲透；也可以通過課外研究性學習、科普講座或選修課的形式進行。應特別注意把握教學的內容，切忌把這種拓展教學的嘗試與補課、提高、競賽輔導等一味增加知識、增加難度、變相地把大學知識強加到中學課堂的做法相混淆。因此，一定要注意深入淺出，注意定性介紹與定量分析的比例的把握。特別是在考核上不要作太高要求。否則，不僅沒有起到增加興趣、開闊眼界、提高素質的目的，反而更加重了學生的負擔。

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【責任編輯：張桂英】

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