半导体光生伏特效应
半导体的光电效应
P
N N Id I
＋
二极管的伏安特性电流：
I d I 0 (exp(
Is
V
－
那么流过PN结的电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
光伏效应 它的供电电流为：
qV I I d I S I 0 (exp( ) 1) I S kT
s
hv
产生非平衡载流子的浓度： n p s hvAL
在稳定光照下，光生载流子不断产生，同时也不断复合。在 稳定时光生载流子的浓度为： n p n
0 0
光电导为：
q(nn p p )
暗电导为：
0 q(n0 n p0 p )
那么它的短路光电流密度为：
光子噪声
探测噪声
处理电路噪声
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合
噪声， 温度噪声，1/f噪声
探测器的噪声 噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用
白噪声
1/f噪声
但其本质是一致的。 加深理解：参见课后练习（1—1).
半导体光电器件
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制 成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。
光明电阻的特点：
光谱响应范围宽
工作电流大 所测的光强范围广 灵敏度高 偏置电压低，无极性之分 不足之处是：在强光下线性较差，光电驰豫过程较 长，频率响应低。
光度学(Photometry)与辐射度学(Radiometry)
辐射度的基本物理量 光谱辐射量：
光生伏特效应的工作原理
光生伏特效应的工作原理光生伏特效应（Photovoltaic Effect）是指在特定材料中，当光照射到其上时，会引发电荷的分离和产生电流的现象。
这一效应是太阳能电池及其他光电器件运转的基础，其工作原理的理解对于光伏发电等领域的研究和应用具有重要意义。
光生伏特效应的工作原理可以通过以下几个方面来解释。
1. 半导体特性在解释光生伏特效应之前，有必要了解半导体材料的基本特性。
半导体属于介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电特性可以通过控制材料中的杂质和缺陷来改变。
常用的半导体材料有硅和锗。
2. 光的能量转化当光照射到半导体材料的表面时，光子的能量会被材料中的原子或分子吸收，并促使电子跃迁到更高能级。
这个过程涉及到光子的能量大于电子与原子结合所需的能量。
3. 电子的分离与漂移在光照射后，能量较高的电子和空穴（所谓的缺电子位）被激发出来。
电子和空穴以不同的方式分离并朝相反的方向运动。
这个分离过程发生在材料内部的PN结，其中P区富含空穴，N区富含自由电子。
4. 电势差的产生当电子和空穴分离后，由于它们分别位于不同的区域，就形成了电荷堆积和电势差。
这个电势差会引导形成电流，并产生电压差，即光生电动势。
根据奥姆定律，电流与电压成正比。
5. 界面效应光生伏特效应还与半导体与其他电子器件之间的界面有关。
当光生电荷流经半导体与外部电路之间的接触面时，界面效应会影响电流和电压的传输，并可能导致功率损耗或效率降低。
总结回顾：光生伏特效应是光电效应的基础，通过光照射到半导体材料中，产生电子与空穴的分离和漂移，从而产生电流和电势差。
这个效应在太阳能电池及其他光电器件中被利用，通过光的能量转化为电力。
在应用上，光生伏特效应的工作原理可以用来解释太阳能发电、太阳能电池及其他光电器件的运行原理，以及如何提高其效率和稳定性。
我的观点和理解：光生伏特效应的工作原理深入浅出地阐述了光照射到半导体材料时产生的电势差和电流的产生过程。
这一理论对于我个人对于太阳能发电和光电器件的了解提供了重要基础。
半导体物理第九章--半导体的光学性质
用透射法测定光在媒质（半导体） 中的衰减时发现, 光的衰减与光 强成正比, 若引入正比例系数α （光吸收系数）
dI I x
dx
光强在半导体媒质中的衰减规律
I x I0 expx
I0表示在表面（x=0）处入射光的强度 α的物理意义: 光入射导半导体内被吸收，使光强减小到原值 的1/e时，光波在半导体中所传播的距离即是吸收系数的倒数
本征吸收
0 :引起本征吸收的最低频率限；
cm1 100
0：本征吸收长波限
75
50
0
hc Eg
1.24eV Eg (eV )
[m]
25
0 4 8 12 16 μm
InSb的吸收谱
9.1 半导体的光吸收 9.1.2 本征吸收
3.光吸收时半导体中电子的跃迁要求
——能量守恒, 准动量守
恒。
很小
能量守恒和动量守恒E h h a E'
d2
vd
n E
n
V d
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
高阻光电材料中典型 的复合中心对光电导 的影响:这样的材料对 光电导起决定作用的 是非平衡多数载流子, 因为非平衡少数载流 子被陷在复合中心上, 等待与多数载流子的 复合。
9.2 半导体的光电导 9.2.3 复合中心和陷阱对光电导的影响
定光照下，定态光电导Δσs（对应Δns）越大，其 光电导灵敏度也越高。
前面推导的小注入时的Δσs公式为:
s qbI nn
可以看出，如果考虑到光电导灵敏度的话，材料光 电导的弛豫时间（由寿命τ来体现）越大，光电导 的定态值也越大（即光电导灵敏度越高）。
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
光生伏特现象
光生伏特现象英文名称：photovoltaic effect。
光生伏打效应是指半导体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当半导体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
严格来讲，包括两种类型：一类是发生在均匀半导体材料内部；一类是发生在半导体的界面。
虽然它们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不相同的。
通常称前一类为丹倍效应[1]，而把光生伏打效应的涵义只局限于后一类情形。
当两种不同材料所形成的结受到光辐照时，结上产生电动势。
它的过程先是材料吸收光子的能量，产生数量相等的正﹑负电荷，随后这些电荷分别迁移到结的两侧，形成偶电层。
光生伏打效应虽然不是瞬时产生的，但其响应时间是相当短的。
1839年，法国物理学家A. E. 贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。
1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。
后来就把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。
当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏打效应。
光生伏打效应使得PN结两边出现电压，叫做光生电压。
使PN结短路，就会产生电流。
编辑本段原理半导体界面包括有:由于掺杂质不同而形成的P型区和N型区的界面,即PN结；金属和半导体接触的界面；不同半导体材料制成的异质结界面以及由金属－绝缘体－半导体组成的MIS系统的界面。
在这些界面处都存在有一个空间电荷区,其中有很强的电场,称为自建电场。
光照产生的电子－空穴对，在自建电场作用下的运动，就是形成光生伏打效应的原因。
下面以PN结为例进一步具体说明。
在PN结交界面处N区一侧带正电荷，P区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场的方向自N区指向P区。
由于光照可以在空间电荷区内部产生电子－空穴对，它们分别被自建电场扫向N区和P区,就如同有一个电子由P区穿过空间电荷区到达N区,形成光致电流。
半导体光生伏特效应原理
半导体光生伏特效应原理半导体光生伏特效应的原理可以通过光生载流子的产生和漂移来解释。
当光照射到半导体材料表面时，光子能量被传递给材料中的原子、分子或离子，导致电子从价带跃迁到导带形成载流子对。
光照下产生的电子称为光生电子，同时也有正空穴和光子活化材料内其他载流子。
产生的光生载流子会被电场或外加电压作用下，发生漂移并集聚在材料的相应区域，形成电势差。
当这种电势差达到一定程度时，就会出现光电流。
光电流的强度与光照强度成正比，并且与光子能量有关。
半导体光生伏特效应的关键是光生载流子的产生和漂移。
光生载流子的产生是通过光激发半导体材料内的电子跃迁实现的。
在纳米级量子点半导体材料中，由于量子尺寸效应和禁带边缘变化，光子能量比较低时也能够产生光生载流子。
光生载流子的漂移主要是受电势差和外加电压的影响。
电场作用下，载流子沿着电场方向漂移，并在电势差较大的地方累积。
外加电压也可以提供附加的驱动力，加速光生载流子的漂移。
半导体光生伏特效应在光电二极管中得到了广泛应用。
光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件，其基本结构由大面积P型和N型半导体组成。
当光照射到P型半导体区域时，光生载流子在电场和电势差的驱动下，被引导至N型半导体区域，产生电势差。
这个电势差可以通过外部电路测量，从而得到光照的信息。
除了光电二极管，半导体光生伏特效应还可以应用于太阳能电池、光敏电阻、光电导体和光伏电池等器件中。
这些器件都是利用半导体材料的光生伏特效应，将光能转化为电能或光电信号。
总结起来，半导体光生伏特效应是一种将光能转换为电能的现象，主要通过光激发半导体材料产生光生载流子，然后利用电场和电势差使载流子漂移，最终产生电势差和光电流。
这个效应在光电转换器件中发挥着重要作用，为光电子技术的发展提供了基础。
pn结光生伏特效应
pn结光生伏特效应PN结光生伏特效应光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会产生电子的现象。
而PN结光生伏特效应是一种特殊的光电效应，它发生在PN结中。
PN结是由N型半导体和P型半导体连接而成的器件，其中N型半导体中的自由电子与P型半导体中的空穴发生复合，形成空间电荷区，也就是PN结。
PN结光生伏特效应的发生是由于光子的能量足够大，能够激发PN 结中的电子从价带跃迁到导带。
当光子的能量大于或等于PN结中的带隙能量时，电子将被激发到导带中，产生自由电子和空穴。
这些自由电子和空穴在PN结中会受到电场的作用分离，形成电流。
PN结光生伏特效应的具体过程如下：当入射光照射到PN结表面时，光子的能量会被传递给PN结中的电子。
如果光子的能量大于PN 结中的带隙能量，电子将被激发到导带中，并且形成自由电子和空穴。
由于PN结中存在电场，自由电子和空穴将被分离，并且在PN 结中产生电流。
这个电流称为光生电流，也就是PN结光生伏特效应。
PN结光生伏特效应的应用非常广泛。
一方面，它被应用于光电二极管中。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，利用PN结光生伏特效应，当光照射到光电二极管表面时，会产生电流。
因此，光电二极管广泛应用于光通信、光电传感器等领域。
另一方面，PN结光生伏特效应还被应用于太阳能电池中。
太阳能电池是一种能够将太阳光转化为电能的器件，利用PN结光生伏特效应，当太阳光照射到太阳能电池表面时，会产生电流。
这种电流可以用来驱动电子器件或充电电池。
因此，太阳能电池成为了可再生能源中的重要组成部分。
除了在光电二极管和太阳能电池中的应用，PN结光生伏特效应还有其他一些应用。
例如，在光敏电阻中，光照射到光敏电阻表面时，PN结光生伏特效应会产生电流，从而改变电阻值。
这被应用于光控开关、光敏传感器等设备中。
PN结光生伏特效应是一种在PN结中发生的光电效应，当光照射到PN结表面时，光子的能量能够激发电子，形成自由电子和空穴，并产生光生电流。
半导体的光电导
半导体的光电导半导体的光吸收在半导体材料中产生非平衡载流子。
载流子的增加必然使材料电导率增大。
这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。
本征吸收引起的光电导称为本征光电导。
现在讨论均匀半导体材料的光电导效应1． 附加电导率2．无光照时，半导体样品的暗电导率为电子和空穴的迁移率。
设光注入的非平衡载流子浓度分别为n ∆和p ∆，当电子刚被激发)(00p n o p n q μμσ+=式中q 为电子电量，00p n 、为平衡载流子浓度；n μ和p μ分别为到导带时，同导带中热平衡电子相比较可能会有较大的能量，但通过与晶格的碰撞，在极短的时间内就以发射声子的形式释放多余的能量变成热平衡电子。
因此在整个光电导过程中可以认为光生电子与热平衡电子具有相等的迁移率，则光照情况下样品的电导率变为)(p n p n q μμσ+=式中n n n ∆+=0；p p p ∆+=0附加光电导σ∆为)(p n p n q μμσ∆+∆=∆ 光电导的相对值p n p n p n p n μμμμσσ000+∆+∆=∆ 对本征光电导0p n ∆=∆ 令pn b μμ= 则000)1(p bn n b +∆+=∆σσ 可以看出要得到相高的光电导，应使0n 和0p 有较小的数值，对半导体本征吸收，n p ∆=∆；但是并不是光生电子和光生空穴都对光电导有贡献。
对p 型O Cu 2其本征光电导主要来自光生空穴的贡献对n 型CdS ，其本征光电导主要来自于光生电子的贡献 就是说，在本征光电导中，光激发的电子和空穴数是相等的，但是在它们复合消失以前，只有其中一种光生载流子（一般为多载流子）有较长的时间存在于自由状态，而另一种则往往被一些能级（陷阱）来缚住，这样，p n ∆>>∆或n p ∆>>∆附加电导率应为q n n μσ∆=∆或q p p μσ∆=∆除了本征光电导外，杂质能级上的电子或空穴受光照激发也能产生光电导，但比本征光电导弱得多。
27 光生伏特效应及典型器件
典型器件—光敏二极管
• 光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件。其基本原理是 利用PN结的光生伏特效应，即光照到PN结上时，PN结吸收光能，产 生电动势的现象。
• 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在不受光照射时，处于 截止状态，受光照射时，处于导通状态。
典型器件—光敏二极管
• 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN 结装在管顶，可直接受到光照射。
当光线照射在集电结的基区时会产生电子空穴对在内电场的作用下光生电子被拉到集电极基区留下空穴使基极与发射极间的电压升高这样便有大量的电子流向集电极形成输出电流且集电极电流为光电流的倍
光生伏特效应及典型器件
梁召峰 副教授
光生伏特效应
光生伏特效应，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。 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。
• 光敏二极管分有PN结型、PIN结型、雪崩型等，其中用得最多的是 PN结型，价格便宜。
典型器件—光敏三极管
光敏三极管（Phototransistor）和普通三极管相似，也有电 流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制， 同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基 极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
c
PNP
b
E
e NPN c
RLห้องสมุดไป่ตู้
b
典型器件—光电池
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这 种器件就不需要外加电源。属有源器件。
光电池的结构和工作原理
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实验PN结光生伏特效应
一、实验目的
测量硅太阳电池的光谱响应特性，及进行数据处理，使学生掌握pn结光伏效应，了解影响光伏效应的因素；
增强学生对光伏效应的应用及对实际器件性能的理解，并提高学生实验研究和设计能力。
二、实验原理
光垂直于PN结结面照射时，能量大于禁带宽度的光子因本征吸收而产生电子-空穴对。
势垒区外一个扩散长度内的光生少子，受pn结内建电场的作用被扫到对方，在n区、p区分别形成电子、空穴积累，产生一光生电动势。
光生电动势给pn结以正向偏压，于是pn结内部既有由n区指向p区的光生电流I I，同时又有与I I反向的正向电流I I。
在稳定光照下，开路pn结内，I I=I I，形成一稳定光生电压。
短路情况下，I I=0，光生电流全部流经外电路。
这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
太阳电池就是此效应最直接的应用，本实验以太阳电池为例对光生伏特效应进行测量。
实验系统如图1所示。
图1 太阳电池测试系统
三、实验内容
测量太阳电池的光谱响应短路电流，开路电压，以及光功率曲线；获得最大电流、电压、功率的光波长。
四、实验仪器与样品
WDF反射式单色仪，光源， 722-2000型分光光度计，微电流仪，光功率计，六位半繁用表。
单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池芯片样品。
五、实验步骤
采用722-2000型分光光度计作为单色光源测试
1.打开分光光度计电源开关，预热15分钟以上。
2.被测样品与繁用表串联。
将被测样品放入分光光度计的样品室，关闭盖子。
打开繁用表电源。
3.按分光光度计“方式”按钮直至“吸光度”标示灯亮；繁用表调至电流测试的“μA”档，开始测试。
4.旋转“波长”旋钮来确定光波长，记录六个以上波长的短路光生电流。
5.被测样品与繁用表并联，繁用表调至电压测试的“mV”档，在上面测量光生电流的波长再记录光生伏特。
6.用光功率计标定上面测试的六组波长λ下的光能量值。
六、数据处理
开路电压、短路电流、功率随光波波长的变化曲线分别如图所示。
图1 开路电压-波长关系图2 短路电流-波长关系
图3 功率-波长关系
可以看出，开路电压、短路电流和功率随波长变化的趋势相同：在小于550nm的波段缓慢增加；在约550nm～600nm波段迅速增加，在约600nm处取得峰值；在600nm～750nm处波段基本维持不变；在大于700nm处波段出现波动。
其中开路电压最大值，对应的波长；短路电流最大值为 ，对应的波长；功率最大值为，对应的波长。
随着光的波长的增加，先增加，再起伏，再减小，都有一个峰值，但还是有一定误差。
七、讨论题
1.太阳电池是三维器件，却用一维少子连续性方程解得光电流。
试问这个一维模型的合理性如何
合理。
光注入时，y、z两个方向的非平衡载流子分布均匀，只沿x方向是不均匀分布的，因此只在研究x方向扩散是有意义的。
2.误差分析
①改变光照后，太阳能电池需要一定时间才能达到新的稳态，实验中由于操作过程太快，可能读数是不是稳态下的开路电压（短路电流）；
②由于没有在同一波长下同时测开路电压和短路电流，因此计算功率时只能将二者的拟合曲线相乘，导致功率曲线有误差；
八．实验思考与总结
可以考虑同时给太阳电池串联和并联两台繁用表，串联的用于测短路电流，并联的用于测开路电压，这样可以同时读取同一个波长下的开路电压和短路电流，使功率计算更加准确。