半導(dǎo)體光電效應(yīng)及其應(yīng)用

1、半導(dǎo)體光電效應(yīng)及其應(yīng)用量子力學(xué)無(wú)疑是 20世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一，它的誕生是人類(lèi)對(duì)自然界，尤其對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍，對(duì)許多造福人類(lèi)的高新技術(shù)的發(fā)展起了奠 基、催生和巨大的推動(dòng)作用。自 20 世紀(jì)中期開(kāi)始，電子工業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)，而其基礎(chǔ)為半導(dǎo)體材料。為了適應(yīng)電子工業(yè)的巨大需求，從第一代半導(dǎo) 體材料：硅、鍺（1822 年，瑞典化學(xué)家白則里用金屬鉀還原氟化硅得到了單質(zhì)硅。發(fā)展到第二代半導(dǎo)體材料：IIIV族化合物，再到現(xiàn)在的第三代半導(dǎo)體 材料：寬帶隙半導(dǎo)體。半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。一、光電效應(yīng)光照射到某些物質(zhì)上， 引起物質(zhì)的電性 質(zhì)發(fā)生變化， 也就是光

2、能量轉(zhuǎn)換成電能。 這 類(lèi)光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng) （ Photoelectric effect ） 。 這 一現(xiàn) 象 是 1887 年赫茲在實(shí)驗(yàn)研究麥克斯韋電磁理論 時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。 1905 年，愛(ài)因斯坦在關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性 觀點(diǎn)一文中，用光量子理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。 1916 年，美 國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛(ài)因斯坦的理論解釋?zhuān)瑥亩?證明了光量子理論。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象 發(fā)生在物體表面，物體在光的照射下光電子飛到物體外部的現(xiàn)象，又稱外光電 效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放

3、出電 子并不溢出物體表面，而是仍留在內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)、外光電效應(yīng)在 光電器件和光電子技術(shù)中具有重要的作用，根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)換 器件（光敏器件）。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)具有如下實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1、每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)是都存在一極限頻率（或稱截止頻 率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長(zhǎng)被稱做極限波長(zhǎng)（或稱紅限波長(zhǎng)）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論多強(qiáng)的光都無(wú) 光電子逸出。2、光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無(wú) 關(guān)。3、光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限 頻率，光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，響應(yīng)時(shí)間不超

4、過(guò) 十的負(fù)九次方秒（Ins ）。4、入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱，即只影響在單位時(shí)間內(nèi)由 單位面積是逸出的光電子數(shù)目。外光電效應(yīng)不言而喻，就是物體在光的照射下光電子飛到物體外部的現(xiàn)象，光電效應(yīng)的 發(fā)現(xiàn)與最初的研究就是主要通過(guò)外光電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行的。光電導(dǎo)效應(yīng)光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子（光生載流子），載流子濃度的增 大使其電導(dǎo)率a增大，所引起的附加電導(dǎo)率稱為光電導(dǎo)。光電導(dǎo)效應(yīng)是光 電子器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收系數(shù)隨光的波長(zhǎng)而變化，所以光 電導(dǎo)具有一定的光譜分布。光生伏特效應(yīng)如果光線照射在太陽(yáng)能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量 的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，

5、以致產(chǎn)生電子一 空穴對(duì)。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過(guò)空間電荷的電場(chǎng)作 用被相互分離。非平衡的載流子從產(chǎn)生處向勢(shì)壘區(qū)（結(jié)區(qū)）運(yùn)動(dòng)；非平衡的電 子和空穴在結(jié)區(qū)勢(shì)場(chǎng)的作用下向相反的方向運(yùn)動(dòng)而分離。P區(qū)的非平衡電子穿過(guò) p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)，而n區(qū)的非平衡空穴進(jìn)入p區(qū)，從而在p型和n型區(qū)有電荷積 累。由于p區(qū)邊界積累非平衡空穴，n區(qū)邊界積累非平衡電子，產(chǎn)生一個(gè)與平衡 p-n結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，于是在p區(qū)和n區(qū)建立了光生電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái) 說(shuō)，開(kāi)路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。通過(guò)光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)越多，電流越大。界面層吸收

6、的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽(yáng)能電池中形成的電流也越大。二、光電效應(yīng)的應(yīng)用1光電探測(cè)器光電探測(cè)器是通過(guò)電過(guò)程探測(cè)光信號(hào)的半導(dǎo)體器件。伴隨著相干和非相干光 源相遠(yuǎn)紅外波段及紫外波段的擴(kuò)展，對(duì)高速、高靈敏光電探測(cè)器的需求迅速增加， 通常來(lái)講，光電探測(cè)器包括三個(gè)基本過(guò)程：1）入射光產(chǎn)生載流子；2）通過(guò)某種 電流增益機(jī)制形成載流子的輸入和倍增；3）載流子形成端電流，提供輸出信號(hào)。在紅外波段（0.81.6u m）的光纖通信系統(tǒng)中，光電探測(cè)器十分重要，它可 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，即將光的變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的變化，然后將電學(xué)量放大并進(jìn) 一步處理。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，光電探測(cè)器必須滿足若干要求，例如在工作波段上

7、要 有高的靈敏度、快速的響應(yīng)速度和低噪聲。另外，光電探測(cè)器的體積應(yīng)該較小， 工作偏置電壓和電流低，并且在使用條件下可靠工作。1983年至 1985 年間，人們首次研究了量子阱中導(dǎo)帶內(nèi)、價(jià)帶內(nèi)的非帶間躍 遷的紅外吸收。第一個(gè)基于束縛態(tài)到束縛態(tài)子帶間躍遷的功能性異質(zhì)結(jié)量子阱紅 外光電探測(cè)器有Levine等人在1987年實(shí)現(xiàn)。本例中g(shù)aas為量子阱。其厚度約為5nm,通常是摻雜濃度為10人17cm人（-3） 量級(jí)的 n 型半導(dǎo)體。勢(shì)壘層不摻雜，其厚度約為 3050nm 之間。典型周期數(shù)在 2050 之間。對(duì)于由直接黛西材料形成的量子阱，因?yàn)樽訋чg躍遷要求電磁波的電場(chǎng)有與 量子阱的生長(zhǎng)面垂直的分量，所

8、以入射光垂直于表面時(shí)，吸收為零。這種計(jì)劃選 擇規(guī)則需要某種技術(shù)使光與光敏感區(qū)耦合。Qwip 基于由子帶間激發(fā)產(chǎn)生的光電導(dǎo)。躍遷的三種類(lèi)型。在束縛態(tài)到束縛 態(tài)的躍遷中，兩個(gè)量子化的能量狀態(tài)是被限定的，并且低于勢(shì)壘能量。一個(gè)光子 激發(fā)一個(gè)電子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)上，隨后電子隧穿出勢(shì)阱；在束縛態(tài)到連 續(xù)態(tài)（或束縛態(tài)到擴(kuò)展態(tài)）激發(fā)中，基態(tài)上面的第一激發(fā)態(tài)能量高于勢(shì)壘，受激 電子可以更容易地逃離勢(shì)阱，這種束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)的激發(fā)對(duì)于具有高吸收、寬波 長(zhǎng)響應(yīng)、低暗電流、高探測(cè)率和低壓應(yīng)用的探測(cè)器更有保障；對(duì)于束縛態(tài)到微帶 之間的躍遷，由于超晶格結(jié)構(gòu)提出了微帶的概念，基于此躍遷的 qwip 很適合于 焦點(diǎn)平面

9、陣列成像傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用。Qwip 的暗電流是由于越過(guò)量子阱勢(shì)壘的熱電子發(fā)射和勢(shì)壘尖峰附近的熱電 子場(chǎng)發(fā)射造成的。由于此類(lèi)光探測(cè)器針對(duì)約320um的波長(zhǎng)范圍，因此形成量子 阱的勢(shì)壘必須小，約為0.2eV。為了限制暗電流，qwip必須在477K的低溫下 工作。Qwip 對(duì)于用 HgCdTe 材料制作的波長(zhǎng)光電探測(cè)器是一個(gè)具有吸引力的替代 結(jié)構(gòu)。HgCdTe光電探測(cè)器的問(wèn)題在于遂穿暗電流過(guò)大，以及需要準(zhǔn)確的組分重 復(fù)能力以獲得精確的帶隙。Qwip與GaAs單片集成電路工藝兼容，可根據(jù)量子 阱的厚度調(diào)整檢測(cè)波長(zhǎng)范圍。研究表明，已有接近20um的長(zhǎng)波探測(cè)能力。Qwip 可以用于兩維成像的焦點(diǎn)平面陣列，

10、其具體事例為熱成像和陸地成像。 Qwip 具 有高速和響應(yīng)快等特性，這是由于在量子阱中，本征載流子壽命較短（數(shù)量級(jí)為 5ps）。2.太陽(yáng)能電池太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)上，形成新的空穴 -電子對(duì)，在 p-n 結(jié)電場(chǎng)的 作用下，空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)，接通電路后就形成 電流。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的 器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上 時(shí)，光電二 極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起 來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池

11、是一 種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn) .太陽(yáng)能電 池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用；與火 力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染；太陽(yáng)能電池可以 大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽(yáng)能電池組， 這是其它電源無(wú)法比擬的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽(yáng)能電池 仍將是利用太陽(yáng)輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類(lèi)未來(lái)大規(guī)模地利用 太陽(yáng)能開(kāi)辟?gòu)V闊的前景。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世 界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常 規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。 預(yù)計(jì)到 2030 年，可再生能源在總 能源結(jié)構(gòu) 中將占到 30以上，而太陽(yáng)