半导体的光生伏特效应及其应用
050311220 徐雨
摘要：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光电效应的基础上研制、开发出来的。光照使半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程，半导体吸收光能在PN 结区产生电动势。 关键字：半导体 光吸收 能带结构 PN 结 内光电效应 光生伏特效应
背景：太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT 、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。
理论基础：
一．半导体光学性质
如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：
()01x x I I r e α-=-
式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
本征吸收
半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。
要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于
禁带宽度g E ，即g h E ν≥，从而有：
00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥⇒≤=⋅
其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。 非本征吸收
非本征吸收包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收等。
杂质吸收
杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外
区。
自由载流子吸收
导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。
激子吸收
价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的红外一侧。
半导体的光学性质有如下特点：
⑴ 绝缘体的禁带宽度大，纯净的离子晶体大致为几个电子伏特以上，三氧化二铝为9eV ，氯化钠为8eV ，所以从可见光到红外区不会发生光吸收，是透明的，但对紫外光不透明。
⑵ 掺杂后造成部分较低的局域能级，如Cr3＋有未充满的电子组态3d54s1，形成局域能级（1.7eV ），可以吸收较高能量的光（蓝、绿光），造成氧化铝显红颜色。
二．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 ε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g E 表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。图所示
的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。如图 (a)所示,导体的费米能级F ε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。
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(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(c)所示。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,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。
三．半导体的内光电效应
当光照射到半导体表面时,电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。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。
从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光
的极限能量,即0g E hv E λ==,其中0v 是低频限(即极限频率0g v E h =)。这个关系
也可以用长波限表示,即0g hcE λ=。入射光的频率大于0v 或波长小于0λ时,才会
发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间跃迁。广义地说,这也是一种 光电效应。这些效应,可以由半导体材料对光波的吸收谱线来观察和分析。
四．半导体材料的掺杂与PN 结的形成
半导体材料硅(Si)和锗(Ge)都是第Ⅳ主族元素,每个电子的4个价电子与近邻的4个原子的一个价电子形成共价键。如图 (a)所示。
这些价电子就是处在价带中的电子。纯净的半导体材料结构比较稳定,在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中去,形成电子——空穴对的载流子。但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质,就可以使半导体的导电性能大大改观。同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和其它性能,丰富半导体的应用。半导体掺杂主要有两种类型。
一种是在纯净的半导体中掺入微导体、绝缘体及半导体的能带结构
