關于開設內光電效應實驗的探索與思考

陳　彪，杜曉燕，門高夫

(河北工程大學 理學院，河北 邯鄲 056021)

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關于開設內光電效應實驗的探索與思考

陳彪，杜曉燕，門高夫

(河北工程大學 理學院，河北 邯鄲 056021)

摘要：介紹了開設以內光電效應為理論基礎的半導體光電器件的重要性和迫切性，并詳細介紹了內光電效應的理論與半導體光電器件的分類和應用前景.

關鍵詞：內光電效應;光電導;光生伏特;光磁電

1引言

光電效應有內外之分，外光電效應的內容在各種版本的物理教材中都有詳盡的介紹，以測量普朗克常量和驗證外光電效應實驗規律的物理實驗儀器應有盡有，學生對此也有相應的認識，尤其是在應用技術方面更是如此. 相形之下，內光電效應的內容和實驗尤其是在非光學專業的物理教材中，幾乎均未曾提及，學生對以內光電效應理論為基礎的半導體光電器件的性能和應用更是一無所知，而在高新技術突飛猛進、信息化時代的今天，如果如此下去，我們所培養的學生將不能夠適應當前形式發展的需要. 為此筆者認為有必要對非光學專業的學生加開或選做內光電效應實驗.

2歷史回顧

以內光電效應為理論基礎的半導體光電器件是隨著半導體物理學和半導體工藝學的發展而產生和發展的. 1839年培克雷爾(Becgurel)發現了光生伏特效應，1883年夫利茲(Filtts)研制出了第一個Se光伏特電池，以后隨著對半導體內光電效應的研究又相繼研制成功了光敏電阻和其他探測器. 1941年奧勒(Ohl)制出了第一個單晶硅光電池，到20世紀50年代，在發展半導體器件工藝的同時，又相繼研制成功了光電二極管和光電三極管，70年代末，以半導體光電器件為敏感元件的光學傳感器已在多領域廣泛使用. 與此同時，光纖通訊、光纖傳感已廣泛應用于軍事、國防工業、人造衛星等空間技術領域.

半導體光電器件經過一個多世紀的發展，現在已廣泛應用于國民經濟、軍事、科學技術等各個部門. 在工業自動化、自動控制等方面，光敏電阻、光電池和光電二極管等器件的應用占有重要地位. 利用紅外光電器件的紅外探測、跟蹤、遙感、遙測和紅外成像技術在軍事上有重要意義. 太陽能電池為宇宙航行、空間技術提供了可靠的長期能源，此外隨著地球上石油、煤等能源的大量消耗，太陽能的利用已提到了重要議程，現在己得到廣泛的重視. 總之半導體光電器件在現代科學技術發展中占有重要地位[1-4].

3思考與探索

既知半導體光電器件的應用如此重要，有必要對非光學專業的學生進行選修內光電效應理論和選作半導體光電器件應用的典型實驗，使之對內光電效應的一些基本觀點和基本概念有清晰認識，對半導體光電器件應用的技術有全新的了解.

3.1　內光電效應原理

光電導效應、光生伏特效應和光磁電效應均為內光電效應. 現分別敘述：

1)光電導效應

光電導效應是光電導探測器光電轉化的基礎. 當半導體材料受光照射時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導致材料導電率增大. 這種現象稱為光電導效應. 材料對光的吸收有本征型和非本征型，所以光電效應也有本征型和非本征型. 當光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中的電子激發到導帶，在價帶中留空穴，從而使材料的導電率增大，這是本征光電導效應. 若光子能量激發雜質半導體中的施主或受主，使它們產生電離，產生光生自由電子或自由空穴，從而增加材料導電率，這種現象就是非本征光電導效應. 材料受光照引起導電率的變化，在外電場作用下就能得到電流的變化.

2)光生伏特效應

光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產生電位差的現象稱為光生伏特效應. 這種效應是基于2種材料互相接觸形成內建勢壘，當光子激發后光生載流子注入到勢壘附近就形成了光生電壓. 因為所用材料不同，于是就有不同的PN結、PIN結、金屬與半導體的肖特基結和異質結等多種結構的光生伏特效應.

現以PN結為例分析光生伏特效應. 當PN結受到光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產生光生載流子. 但是能引起光生伏特效應的只能是本征吸收所激發的少數載流子. 因為P區產生的光生空穴，N區產生的光生電子屬于多數載流子，都被勢壘結阻擋而不能過結. 只有P區的光生電子與N區的光生空穴和結區的電子空穴對(稱少數載流子)擴散到結電場附近時能夠在內建電場作用下漂移過結. 光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區. 樣品處于開路狀態時結附近的N區積累著光生電子，P區積累著光生空穴，P為正，N為負，形成光生電壓VS,光生電壓方向與內建電場方向相反. 此時，若樣品短路會在外電路形成短路電流，這種短路電流就是光生載流子過結的電流.

3)丹倍效應和光磁電效應

均勻光電導體當光激發不均勻時，載流子密度也就不均勻.

a.當某一單色光照射光電導樣品時，且樣品的吸收系數a很大，而使(1/a)≤d(d為樣品的厚度)，則過剩載流子出現不均勻分布，從而產生擴散電流. 當電子和空穴的擴散常量不同時，存在有垂直于光照表面的內建電場，即在前后表面之間產生光生電壓，這就是丹倍效應.

b.丹倍電動勢發生在載流子擴散方向上，當均勻光照時橫向(即平行與光照的方向)是不會有光生電壓的. 若在垂直光照的豎直方向上加一磁場，此時沿光照方向流動的電子和空穴則受到洛侖茲力的作用，空穴向上、電子向下，于是在與光照垂直的另一方向就有光生電壓，若用導線短接外電路則有電流通過. 該現象即為光磁電效應[5-8].

3.2　半導體光電器件的分類

就器件的物理過程來說，有光電導型、光生伏特型和光磁電型3類，分別利用了半導體的光電導、光生伏特和光磁電3種光電效應.

就器件的構造來說，可分為均質型和結型2種. 均質型半導體器件多利用光電導效應和光磁電效應，最典型的器件是光敏電阻. 結型半導體光電器件按結的種類不同又可分為PN結、PIN結、異質結和肖特基結，它們多做成光電池、光電二極管和多極管.

就器件的應用，可分為換能器件和探測器件2種. 換能器件著重于光能轉換為電能，最典型的器件是太陽能電池，評價這類器件的最重要的指標是轉換效率. 探測器件則著重于把光輻射信號轉換為電信號，其種類繁多. 光敏電阻、光電池、各種類型的光電二極管都廣泛應用于各波段的光輻射探測. 評價探測器件的主要指標是光譜響應特性、探測靈敏度和調制頻率響應特性. 按照探測的輻射波長又可分為可見光探測器、紅外探測器和紫外探測器等.

4典型應用

4.1　光敏電阻

1)光敏電阻[9]的主要性能指標：光譜特性、暗電阻、照度特性、溫度特性、最高工作電壓和允許耗散功率.

2)種類：按光譜特性和最佳工作波段劃分有3種：

a.對紫外光(0.3~0.4 μm)靈敏的光敏電阻，主要用于探測和度量各種射線強度的α,γ射線計量計和α,β射線晶體計數管.

b.對可見光(0.4~0.76 μm)靈敏的光敏電阻，這類光敏電阻主要用于制造自動控制元件，如產品計數器、路燈控制器等以及安全保護裝置和位移、液面等自動控制裝置的光探測頭.

c.對紅外光(0．76~6 μm)靈敏的光敏電阻. 主要用于科學研究和探測不可見目標.

3)派生器件

a.光電耦合器：它是將發光器件和光敏電阻構成光結合器件的總稱，具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，單向傳輸信號,能傳輸模擬信號和數字信號. 一類用于光隔離，另一類用于光傳感器.

b.光電位器：用于位置檢測的無接點電位器.

c.光橋.

4)應用

a.在電子電路中,電視機亮度自動調節、遠距離自動切換和增益的自動切換.

b.在儀器儀表中,作照度計、濃度計、輻射高溫計、靈敏電流計和比色計等[10].

c.路燈的自動點亮和熄滅、汽車前燈的自動切換、浮標燈的自動點滅和自動報警.

d.照相機電子快門.

4.2　光電池

1)光電池的主要性能指標：

a.伏安特性. b.轉換效率和最佳負載電阻. c.光譜響應. d.響應時間. e.溫度特性.

2)種類

Se光電池、GaAs光電池和Si光電池3種. Se光電池適用于可見光的接收，但轉換效率低，壽命短. GaAs光電池的光譜響應與太陽光譜吻合得好，但轉換效率低. Si光電池的價格低廉、轉換效率高、壽命長、易接收紅外光，是一種很有發展前途的器件.

3)用途

a.用作光電探測元件. 在氣象、農業、林業等方面測量太陽光的輻射量；用于制造各種光電自動控制裝置，如光開關、光閥門、光電比色計和光電高溫計.

b.用作電源. 作為一般能源補充，此時要求價格低廉、功率大；作為宇航電源，此時要求體積小、重量輕、轉換效率高；作為一般民用電器補充，要求價格低廉、體積小，不要求容量大[11].

4)應用

a.顏色識別. b.光電開關電路. c.照相機用曝光表. d.弱光檢測. e.比色高溫計.

4.3　光電二極管

1)性能參量

a.伏安特性. b.最高工作電壓. c.光電流. d.暗電流. e.光譜響應. f.光電靈敏度. g.響應

時間. h.結電容. i.指向特性. j.噪聲特性.

2)種類

a.PN結. b.PIN結. c.異質結. d.肖特基結.

3)應用

a.光信號放大電路. b.光開關電路. c.轉速測定儀[12-13].

5結束語

通過開設內光電效應選修課和自行設計、選作半導體光電器件應用的實驗，非光學專業的學生拓寬了視野，提高了動手能力，提高了分析問題解決問題的能力. 但因課時和儀器有限還未能如愿將目前好多很有典型很有意義的實驗全部開設出來. 但我們深信所有選作我們這些實驗的學生無疑都看到了新型光電器件的應用前景.

參考文獻：

[1]李科杰. 傳感技術[M]. 北京:北京理工大學出版社，1989：310-273.

[2]劉振玉. 光電技術[M]. 北京:北京理工學大出版社，1986：27-142.

[3]潘天明. 半導體光電器件及其應有[M]. 北京:冶金工業出版社，1985：120-275.

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[10]楊應平,陳夢葦,賈信庭. 四象限光電探測器實驗裝置的研究與應用[J]. 物理實驗，2014,34(5)：29-34.

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[13]麻佳琪,張孟楊,楊胡江,等. 基于三基色LED的色匹配實驗[J]. 物理實驗，2014,34(4)：42-44.

[責任編輯：郭偉]

Exploration and reflection about setting of internal photo effect experiment course

CHEN Biao, DU Xiao-yan, MEN Gao-fu

(School of Science, Hebei University of Engineering, Handan 056021, China)

Abstract:The principle of the internal photo effect as well as the importance and urgency of the application of semiconductor device were introduced. At the same time, the theory of the internal photo effect, the categories of semiconductor photoelectric effect and the prospect of the application were illustrated in detail.

Key words:internal photo effect; photoconduction; photo voltage

中圖分類號：O482.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)01-0030-03

作者簡介：陳彪(1951-)男，河北邯鄲人，河北工程大學理學院副教授，學士，從事物理教學及實驗物理光電教學儀器的研究.

收稿日期：2014-05-22；修改日期：2014-09-24

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文