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半导体光电效应的产生机理
半导体光电效应是指当光照射到半导体材料上时，会产生电子-
空穴对，从而引起材料的电学性质发生变化的现象。
这种效应的产
生机理涉及到半导体物理学和光学的知识。
首先，当光子照射到半导体上时，光子的能量会被半导体吸收，使得半导体中的价带内的电子被激发到导带中，同时在价带中留下
一个空穴。
这样就形成了电子-空穴对。
这个过程可以用光生激发来
描述，即光子的能量被吸收后，激发了半导体中的电子。
其次，激发出的电子-空穴对会导致半导体中的载流子浓度增加，从而改变了半导体的导电性质。
这种光生电子-空穴对的产生，使得
半导体的导电性能随之发生变化，例如导电率增加、电阻率减小等。
另外，半导体光电效应还涉及到光生载流子的寿命和扩散长度
等参数。
光生载流子的寿命决定了光电效应的持续时间，而光生载
流子的扩散长度则影响了光电效应的空间分布。
总的来说，半导体光电效应的产生机理是光子能量被半导体吸收，激发出电子-空穴对，从而改变了半导体的导电性质。
这一过程
涉及到光生激发、载流子浓度变化、光生载流子的寿命和扩散长度等多个方面的因素。
深入理解半导体光电效应的产生机理对于光电器件的设计和应用具有重要意义。
光电效应对半导体器件性能的影响分析引言：光电效应是指在光照条件下，物质吸收光能后，产生电子束的现象。
在半导体器件中，光电效应是一项至关重要的物理现象，对其性能产生重大影响。
本文将探讨光电效应对半导体器件性能的影响，并分析其中的机制、类型和应用。
第一部分：光电效应的机制和原理光电效应是基于光子的量子行为，当光子与物质相互作用时，能量和动量的转移会导致电子的激发和发射。
光电效应的机制主要包括光吸收、电子激发和电子释放三个过程。
首先，光吸收是光电效应的起始步骤。
来自光源的光子能量可以被半导体吸收，使得物质内部的电子从基态跃迁到激发态。
接下来，电子激发是指吸收光射后，电子的能级跃迁。
在半导体中，电子激发可能会导致载流子生成以及电子和空穴的寿命延长。
最后，电子释放是指光吸收后，电子从高能级返回基态并重新辐射光子的过程。
通过这种方式，光电效应将电子能量转化为光能量。
第二部分：光电效应的类型和应用光电效应可以分为光电导效应、理研电效应和光电效应三种类型。
首先，光电导效应是指当光照射在半导体器件中时，光子能量激发了电子和空穴，形成电导效应。
这种效应常用于可见光传感器、光电导开关和光电传感器等器件中。
其次，理研电效应是指光照射后产生电场效应。
在半导体器件中，由于光激发电荷分离，会形成一个电场，从而影响器件的电学性能。
例如，太阳能电池就是通过理研电效应将光能转化为电能的。
最后，光电效应是指光子激发了光电子，将光能转化为电能。
这种效应广泛应用于半导体光电器件，如光电二极管、光电晶体管和光电场效应等。
第三部分：光电效应对半导体器件性能的影响光电效应对半导体器件性能产生了多重影响。
首先，光电效应可以增加半导体器件的灵敏度和响应速度。
当光照射到器件表面时，光子的能量可以激发更多的载流子，并加速其移动速度。
这样一来，器件可以提高其信号检测灵敏度，并提高其响应速度。
其次，光电效应可以影响器件的电学特性。
通过光电效应，电子和空穴会产生电场和电流，并改变器件的电子能带结构和电荷分布。
半导体的基本特征
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的特征。
以下是半导体的基本特征：
1. 导电性能：半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。
在纯净的半
导体中，电子和空穴数量相等，因此电导率很低。
但是，通过掺杂或
施加电场等方法，可以增加半导体的导电性能。
2. 能带结构：半导体的能带结构是其特征之一。
半导体的能带结构由
价带和导带组成。
在纯净的半导体中，价带和导带之间存在能隙，电
子必须获得足够的能量才能跃迁到导带中。
3. 温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化。
在低温下，半导
体的电导率很低，但随着温度的升高，电导率会增加。
这是因为温度
升高会增加电子和空穴的数量，从而增加半导体的导电性能。
4. 光电特性：半导体具有光电效应，即当光照射到半导体上时，会产
生电子和空穴。
这种现象被广泛应用于太阳能电池和光电器件等领域。
5. PN结：PN结是半导体器件的基础。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，具有整流和放大等功能。
6. 控制特性：半导体的电性能受到外部电场的控制。
通过施加电场，可以控制半导体中电子和空穴的数量和移动方向，从而实现对半导体器件的控制。
总之，半导体具有介于导体和绝缘体之间的导电性能，能带结构、温度特性、光电特性、PN结、控制特性等特征。
这些特征使得半导体在电子器件、光电器件、太阳能电池等领域得到广泛应用。
光电效应的名词解释
光电效应是一种基本的量子现象，它是指当金属或半导体等物质受到光照射时，自由电子从固体表面被激发出来的现象。
光电效应的发现和研究是量子力学的重要里程碑之一，它不仅揭示了光的粒子性质，也为现代物理学和电子技术的发展提供了重要的基础和支撑。
光电效应的基本原理是光子与物质相互作用。
光子是光的基本单位，它具有能量和动量，可以视为一种粒子。
当光子与物质相互作用时，它的能量和动量会被传递给物质中的原子或分子，从而激发出自由电子。
这个过程需要满足一定的条件，包括光子的能量足够大，光子的波长足够短，以及物质的表面足够光滑等。
光电效应的实验可以通过照射金属或半导体表面，观察自由电子的释放和运动来进行。
实验中，通常使用光电池或光电倍增管等器件来测量光电流和光电子能谱等参数。
光电流是指由光照射产生的电流，它的大小和光的强度和波长有关；光电子能谱是指光电子的能量分布，它可以提供物质表面电子结构的信息。
光电效应在物理学、化学、材料科学、电子技术等领域中具有广泛的应用。
例如，在太阳能电池中，光电效应被用来将光能转化为电能；在光电倍增管中，光电效应被用来放大光信号；在表面分析技术中，光电效应被用来研究物质表面的电子结构等。
总之，光电效应是一种重要的量子现象，它揭示了光的粒子性质和物质表面的电子结构，为现代物理学和电子技术的发展提供了重要的基础和支撑。
半导体光电效应及其应用量子力学无疑是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：Ⅲ——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、光电效应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）。
这一现象是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，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。
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。
光电效应分为光电子发射、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，称为内光电效应。
内、外光电效应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光电效应具有如下实验规律：1、每一种金属在产生光电效应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、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。
3、光电效应的瞬时性。
简述光电效应的工作原理光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，会使材料中的电子被激发并从原子中脱离的现象。
光电效应的工作原理涉及光的粒子性和波动性以及材料的电子结构。
光的粒子性由量子理论中的光子概念来描述。
根据量子理论，光具有粒子性和波动性的双重性质。
光的能量以光子的形式传播，具有确定的能量和动量。
光子的能量由其频率决定，而动量则与光子的波长有关。
当光照射到金属表面时，光子与金属表面的自由电子发生碰撞。
根据动量守恒定律，光子的动量将转移给电子来维持守恒。
当光子的能量大于金属材料中绑定电子的最小能量，光子传递的能量足以克服电子与金属原子之间的束缚力，电子将被激发并从金属原子中脱离。
电子脱离金属表面后，被称为光电子或光电子。
这些光电子将携带着与光子能量对应的动能，并在强电场或电势差的作用下加速移动。
这些光电子的动能可以通过电子能谱仪来检测和测量。
根据光电效应的经典解释，动能和光子能量之间的关系由爱因斯坦于1905年提出的光电效应方程来描述：E = hf - φ在这个方程中，E代表光电子的动能，h是普朗克常数，f是光子的频率，φ是金属表面的逸出功。
逸出功是指金属表面电子使其脱离所需的最小能量，具体取决于金属的种类和表面条件。
除了金属材料，光电效应还可以在半导体材料中观察到。
半导体材料的电子结构类似于金属材料，但是其能带结构对电子的移动有所限制。
半导体材料通常需要光子的能量达到材料的带隙宽度，以激发和脱离电子。
光电效应在许多应用中起着重要作用。
例如，光电效应被广泛应用于太阳能电池，其中光照射到半导体材料上引发光电效应，产生电能。
此外，光电效应还被用于制造光电二极管、光电倍增管、光电管等光电器件，以及在光谱学、光电子学和量子物理学等领域中的研究和应用。
总结起来，光电效应的工作原理涉及光的粒子性和波动性以及材料的电子结构。
当光子能量足够大时，光照射到材料表面，与自由电子相互作用，引发电子的激发和脱离。
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即利用光电材料受光射照射后发生光电效应，实现能量转换。
能产生光电效应的材料有许多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等半导体材料。
硅基太阳能电池的主要材料为硅，硅原子含有14个电子，排列在三个不同的核外电子层中，距离原子核的头两个电子层完全填满，最外层电子处于半满状态，只有4个电子。
硅原子始终会想方设法填满最外面的电子层（8个电子）以达到稳定状态，它会与相邻硅原子的四个电子共享自身的电子，形成晶体结构。
向纯净硅晶体中掺入特定杂质可以改变其特性。
当掺入硼时，硼原子核最外层只有3个电子，掺杂到硅晶体就存在许多空穴，这个空穴因为没有专用的价电子而变得不稳定，容易吸收电子而中和为中性粒子，这种半导体称为P型半导体。
当掺入磷原子时，磷原子有5个电子，就会有一个多余的电子而变得非常活跃，这种半导体称为N型半导体。
当外部不给半导体施加能量作用是，半导体中的电子充满价电子带，在导带中不存在自由电子，半导体不显示导电性。
如果半导体获得外部能量作用，如光照时期温度上升，价电子带的电子接到热能而激发跳跃到导带，自由电子的产生及价电子失去电子后产生空穴成为带正电荷的自由粒子均有利于导电，半导体表现出导电性。
半导体温度越高，导电性能就越好。
当P型和N型半导体结合在一起时，P型一侧带负电，N型一侧带正电，PN结两侧出现浓度差，产生电子漂移电流。
光照不止，入射光子能量足够，电子流不断，电源也就不断产生了。
硅太阳能电池外形有圆的和方的，P层为基体材料，厚为0.2~0.5mm，P层上面是N层（0.2~0.5mm），为光照面，其上分布有若干条栅线组成的上电极，基体下有与其你工程欧姆接触的下电极。
上下电极焊接有银丝作为引线，引出光生电流。
电池表面蒸镀一层天蓝色的二氧化硅减反射膜。
基体材料、电池温度、制造工艺、辐照光强、串联电阻、并联电阻、金属栅线和减反射膜等，都是影响太阳能电池效率的因素。
半导体的光电效应
发布日期:2008-04-25 我也要投稿!作者:网络阅读: 787[ 字体选择：大中小]
一、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εF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1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。
如图1(a)所示,导体的费米能级εF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,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。
二、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hν≥E(g 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,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。
这里的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。
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E入=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。
这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。
入射光的频率大于ν0或波长小于λ0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(即图1中每个能带的细线间)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。
三、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2(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量的第Ⅴ主族杂质,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。
当它们在晶格中替代硅原子后,它的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共价键外,还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带εF禁带周围,如图2(b)所示。
这种提供电子的杂质叫施主杂质。
量子理论分析的结果表明,此时将在靠近半导体导
带下边缘的禁带中产生一个施主能级,如图所示。
此能级与导带底能隙很小,室温下其上的电子也可大量激发到导带上去,形成载流子。
这种主要依靠施主杂质提供电子导电的半导体,叫N型半导体。
它的多数载流子(简称多子)是电子,少数载流子(简称少子)是空穴。
另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第Ⅲ主族杂质,如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等。
此时会形成如图2(c)所示的接受电子的受主杂质。
这也相当于提供了一个空穴。
这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。
室温下价带中的电子可以大量激发到受主能级上去,而在价带中留下正载流子——空穴,如图3(b)所示。
这种主要依靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫P型半导体。
其多子是空穴,少子是电子。
如果一块半导体材料中,一部分P型区紧邻着另一部分N型区,如图4(a)所示,由于两个区域的多子类型不同,某区域内浓度高的载流子
要向另一个区域扩散。
即P区的多子空穴向N区扩散,而N区的多子电子向P区扩散。
直至在接触面附近形成一个由N区指向P区的内建场阻止电荷的继续扩散,达到动态平衡。
如图4(b)所示。
此时在两区交界处就形成了PN结。
四、PN结光伏效应的光电转换机制
半导体PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN结区产生电动势的效应。
它的主要光电转换过程如下:当用光子能量hν≥E(g Eg为带隙间隔)的入射光照射半导体PN结时,半导体内的电子吸收能量,可激发出电子——空穴对。
这些非平衡载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用下分离。
电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方向向P区移动,如图5(a)所示。
结果在N区边界积累了电子,在P 区边界积累了空穴,如图5(b)所示。
这样就产生了一个与平衡态PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指向N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。
这样就把光能转化成了电能。
若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。
五、PN结光伏效应的应用
(一)太阳电池。
PN结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件——太阳电池。
制造太阳电池的材料主要有硅(Si)、硫化镉(CdS)和砷化镓(GaAs)等。
现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。
目前,太阳电池的应用已十分广泛。
它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。
在其它方面的应用也十分普遍。
关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:
宇宙开发——观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星…
航空运输——飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…
气象观测——无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…
航线识别——航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…
通讯设备——无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…
农畜牧业——电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯…
公路铁路——无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话…
日常生活——照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯
太阳电池的基本结构是:把一个大面积PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。
为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。
为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN结,底电极一般做成大面积的金属板。
如图6所示。
图7为两种实际应用的太阳电池板。
例如2002年春季普通高中毕业会考的物理试题中有这样一个选择题:例:许多人造卫星都用太阳能电池供电。
太阳能电池由许多片电池板组成。
当太阳光照射某电池板时,该电池板的开路电压是600mV,短路电流是30mA,那么,这块电池板的内电阻是()。
A.10Ω
B.20Ω
C.40Ω
D.60Ω
由闭合电路欧姆定律不难得出,内电阻为600mV/30mA=20Ω.即选项B正确。
(二)光电探测器。
光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。
光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。
其中光敏管(包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管)是此类光电器件的重要组成部分。
它与我们高中教材传感器实验中研究的光敏电阻都是实行光电信号转化的装置。
光电探测器在科技、生活、生产和国防建设中都有着重要的应用。
例如数码照相机、数码摄像机、天文显微镜、GPS全球定位系统、气象卫星拍摄的气象云图、巡航导弹目标定位等等。
这些应用中最基本的是有一个非常灵敏的光电探测器。
图8所示是一些实际应用中的光电探测器件的图片。
