關(guān)于開設(shè)內(nèi)光電效應(yīng)實驗的探索與思考

陳　彪，杜曉燕，門高夫

(河北工程大學(xué) 理學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

?

關(guān)于開設(shè)內(nèi)光電效應(yīng)實驗的探索與思考

陳彪，杜曉燕，門高夫

(河北工程大學(xué) 理學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

摘要：介紹了開設(shè)以內(nèi)光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光電器件的重要性和迫切性，并詳細(xì)介紹了內(nèi)光電效應(yīng)的理論與半導(dǎo)體光電器件的分類和應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：內(nèi)光電效應(yīng);光電導(dǎo);光生伏特;光磁電

1引言

光電效應(yīng)有內(nèi)外之分，外光電效應(yīng)的內(nèi)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(yīng)實驗規(guī)律的物理實驗儀器應(yīng)有盡有，學(xué)生對此也有相應(yīng)的認(rèn)識，尤其是在應(yīng)用技術(shù)方面更是如此. 相形之下，內(nèi)光電效應(yīng)的內(nèi)容和實驗尤其是在非光學(xué)專業(yè)的物理教材中，幾乎均未曾提及，學(xué)生對以內(nèi)光電效應(yīng)理論為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光電器件的性能和應(yīng)用更是一無所知，而在高新技術(shù)突飛猛進、信息化時代的今天，如果如此下去，我們所培養(yǎng)的學(xué)生將不能夠適應(yīng)當(dāng)前形式發(fā)展的需要. 為此筆者認(rèn)為有必要對非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生加開或選做內(nèi)光電效應(yīng)實驗.

2歷史回顧

以內(nèi)光電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的半導(dǎo)體光電器件是隨著半導(dǎo)體物理學(xué)和半導(dǎo)體工藝學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的. 1839年培克雷爾(Becgurel)發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，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(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)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(jì)50年代，在發(fā)展半導(dǎo)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(dǎo)體光電器件為敏感元件的光學(xué)傳感器已在多領(lǐng)域廣泛使用. 與此同時，光纖通訊、光纖傳感已廣泛應(yīng)用于軍事、國防工業(yè)、人造衛(wèi)星等空間技術(shù)領(lǐng)域.

半導(dǎo)體光電器件經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個部門. 在工業(yè)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(yīng)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(shù)在軍事上有重要意義. 太陽能電池為宇宙航行、空間技術(shù)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(xiàn)在己得到廣泛的重視. 總之半導(dǎo)體光電器件在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中占有重要地位[1-4].

3思考與探索

既知半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用如此重要，有必要對非光學(xué)專業(yè)的學(xué)生進行選修內(nèi)光電效應(yīng)理論和選作半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用的典型實驗，使之對內(nèi)光電效應(yīng)的一些基本觀點和基本概念有清晰認(rèn)識，對半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用的技術(shù)有全新的了解.

3.1　內(nèi)光電效應(yīng)原理

光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光磁電效應(yīng)均為內(nèi)光電效應(yīng). 現(xiàn)分別敘述：

1)光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)是光電導(dǎo)探測器光電轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ). 當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)致材料導(dǎo)電率增大. 這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng). 材料對光的吸收有本征型和非本征型，所以光電效應(yīng)也有本征型和非本征型. 當(dāng)光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶中留空穴，從而使材料的導(dǎo)電率增大，這是本征光電導(dǎo)效應(yīng). 若光子能量激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主或受主，使它們產(chǎn)生電離，產(chǎn)生光生自由電子或自由空穴，從而增加材料導(dǎo)電率，這種現(xiàn)象就是非本征光電導(dǎo)效應(yīng). 材料受光照引起導(dǎo)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(yīng)

光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng). 這種效應(yīng)是基于2種材料互相接觸形成內(nèi)建勢壘，當(dāng)光子激發(fā)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(jié)、PIN結(jié)、金屬與半導(dǎo)體的肖特基結(jié)和異質(zhì)結(jié)等多種結(jié)構(gòu)的光生伏特效應(yīng).

現(xiàn)以PN結(jié)為例分析光生伏特效應(yīng). 當(dāng)PN結(jié)受到光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子. 但是能引起光生伏特效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子. 因為P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬于多數(shù)載流子，都被勢壘結(jié)阻擋而不能過結(jié). 只有P區(qū)的光生電子與N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(稱少數(shù)載流子)擴散到結(jié)電場附近時能夠在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié). 光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū). 樣品處于開路狀態(tài)時結(jié)附近的N區(qū)積累著光生電子，P區(qū)積累著光生空穴，P為正，N為負(fù)，形成光生電壓VS,光生電壓方向與內(nèi)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(jié)的電流.

3)丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)

均勻光電導(dǎo)體當(dāng)光激發(fā)不均勻時，載流子密度也就不均勻.

a.當(dāng)某一單色光照射光電導(dǎo)樣品時，且樣品的吸收系數(shù)a很大，而使(1/a)≤d(d為樣品的厚度)，則過剩載流子出現(xiàn)不均勻分布，從而產(chǎn)生擴散電流. 當(dāng)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(nèi)建電場，即在前后表面之間產(chǎn)生光生電壓，這就是丹倍效應(yīng).

b.丹倍電動勢發(fā)生在載流子擴散方向上，當(dāng)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(dǎo)線短接外電路則有電流通過. 該現(xiàn)象即為光磁電效應(yīng)[5-8].

3.2　半導(dǎo)體光電器件的分類

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

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

就器件的應(yīng)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(zhuǎn)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(biāo)是轉(zhuǎn)換效率. 探測器件則著重于把光輻射信號轉(zhuǎn)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(yīng)用于各波段的光輻射探測. 評價探測器件的主要指標(biāo)是光譜響應(yīng)特性、探測靈敏度和調(diào)制頻率響應(yīng)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(yīng)用

4.1　光敏電阻

1)光敏電阻[9]的主要性能指標(biāo)：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(shù)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(chǎn)品計數(shù)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(xué)研究和探測不可見目標(biāo).

3)派生器件

a.光電耦合器：它是將發(fā)光器件和光敏電阻構(gòu)成光結(jié)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(shù)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(yīng)用

a.在電子電路中,電視機亮度自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)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(biāo)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(biāo)：

a.伏安特性. b.轉(zhuǎn)換效率和最佳負(fù)載電阻. c.光譜響應(yīng). d.響應(yīng)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(zhuǎn)換效率低，壽命短. GaAs光電池的光譜響應(yīng)與太陽光譜吻合得好，但轉(zhuǎn)換效率低. Si光電池的價格低廉、轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、易接收紅外光，是一種很有發(fā)展前途的器件.

3)用途

a.用作光電探測元件. 在氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)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(guān)、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(zhuǎn)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(yīng)用

a.顏色識別. b.光電開關(guān)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(yīng). f.光電靈敏度. g.響應(yīng)

時間. h.結(jié)電容. i.指向特性. j.噪聲特性.

2)種類

a.PN結(jié). b.PIN結(jié). c.異質(zhì)結(jié). d.肖特基結(jié).

3)應(yīng)用

a.光信號放大電路. b.光開關(guān)電路. c.轉(zhuǎn)速測定儀[12-13].

5結(jié)束語

通過開設(shè)內(nèi)光電效應(yīng)選修課和自行設(shè)計、選作半導(dǎo)體光電器件應(yīng)用的實驗，非光學(xué)專業(yè)的學(xué)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(shè)出來. 但我們深信所有選作我們這些實驗的學(xué)生無疑都看到了新型光電器件的應(yīng)用前景.

參考文獻：

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

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

[3]潘天明. 半導(dǎo)體光電器件及其應(yīng)有[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，1985：120-275.

[4]黃昆,謝希德. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社，1965：313-384.

[5]王君容,薛召南. 光電子器件[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，1982：24-89，257-275.

[6]陳彪. 半導(dǎo)體色敏探測器的研究[J]. 光電技術(shù)，1988,8(3)：25-29.

[7]陳若輝,王海燕. 光電效應(yīng)實驗中陽極光電流的測量[J]. 物理實驗，2012,32(1)：6-9.

[8]紀(jì)紅. 紅外技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社，1979：81-102.

[9]關(guān)海艷,馮毅,何春風(fēng),等. 光敏電阻綜合演示儀的設(shè)計[J]. 物理實驗,2014,34(2)：25-27.

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

[11]李登,陳濤,萬勇平,等. 自啟動太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)[J]. 物理實驗,2013,33(10)：44-48.

[12]天津大學(xué)電視研究室. 電視原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，1981：1-38.

[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(zé)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(biāo)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(xué)理學(xué)院副教授，學(xué)士，從事物理教學(xué)及實驗物理光電教學(xué)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(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文