半导体光电效应及其应用

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。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。

4、入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。

1、外光电效应

不言而喻，就是物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象，光电效应的发现与最初的研究就是主要通过外光电效应来进行的。

2.光电导效应

光吸收使半导体中形成非平衡载流子(光生载流子)，载流子浓度的增大使其电导率σ增大，所引起的附加电导率称为光电导。光电导效应是光电子器件的基础。半导体材料对光的吸收系数随光的波长而变化，所以光电导具有一定的光谱分布。

3.光生伏特效应

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。非平衡的载流子从产生处向势垒区（结区）运动；非平衡的电子和空穴在结区势场的作用下向相反的方向运动而分离。P区的非平衡电子穿过p-n结进入n区，而n区的非平衡空穴进入p区，从而在p型和n型区有电荷积累。由于p区边界积累非平衡空穴，n区边界积累非平衡电子，产生一个与平衡p-n结内电场方向相反的光生电场，于是在p区和n区建立了光生电动势。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空

穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

二、光电效应的应用

1.光电探测器

光电探测器是通过电过程探测光信号的半导体器件。伴随着相干和非相干光源相远红外波段及紫外波段的扩展，对高速、高灵敏光电探测器的需求迅速增加，通常来讲，光电探测器包括三个基本过程：1）入射光产生载流子；2）通过某种电流增益机制形成载流子的输入和倍增；3）载流子形成端电流，提供输出信号。

在红外波段（0.8~1.6um）的光纤通信系统中，光电探测器十分重要，它可对光信号进行解调，即将光的变化转化为电学量的变化，然后将电学量放大并进一步处理。对于此类应用，光电探测器必须满足若干要求，例如在工作波段上要有高的灵敏度、快速的响应速度和低噪声。另外，光电探测器的体积应该较小，工作偏置电压和电流低，并且在使用条件下可靠工作。

1983年至1985年间，人们首次研究了量子阱中导带内、价带内的非带间跃迁的红外吸收。第一个基于束缚态到束缚态子带间跃迁的功能性异质结量子阱红外光电探测器有Levine等人在1987年实现。

本例中gaas为量子阱。其厚度约为5nm，通常是掺杂浓度为10^17cm^（-3）量级的n型半导体。势垒层不掺杂，其厚度约为30~50nm之间。典型周期数在20~50之间。

对于由直接黛西材料形成的量子阱，因为子带间跃迁要求电磁波的电场有与量子阱的生长面垂直的分量，所以入射光垂直于表面时，吸收为零。这种计划选择规则需要某种技术使光与光敏感区耦合。

Qwip基于由子带间激发产生的光电导。跃迁的三种类型。在束缚态到束缚态的跃迁中，两个量子化的能量状态是被限定的，并且低于势垒能量。一个光子激发一个电子从基态跃迁到第一激发态上，随后电子隧穿出势阱；在束缚态到连续态（或束缚态到扩展态）激发中，基态上面的第一激发态能量高于势垒，受激电子可以更容易地逃离势阱，这种束缚态到连续态的激发对于具有高吸收、宽波长响应、低暗电流、高探测率和低压应用的探测器更有保障；对于束缚态到微带之间的跃迁，由于超晶格结构提出了微带的概念，基于此跃迁的qwip很适合于

焦点平面阵列成像传感器系统的应用。

Qwip的暗电流是由于越过量子阱势垒的热电子发射和势垒尖峰附近的热电子场发射造成的。由于此类光探测器针对约3~20um的波长范围，因此形成量子阱的势垒必须小，约为0.2eV。为了限制暗电流，qwip必须在4~77K的低温下工作。

Qwip对于用HgCdTe材料制作的波长光电探测器是一个具有吸引力的替代结构。HgCdTe光电探测器的问题在于遂穿暗电流过大，以及需要准确的组分重复能力以获得精确的带隙。Qwip与GaAs单片集成电路工艺兼容，可根据量子阱的厚度调整检测波长范围。研究表明，已有接近20um的长波探测能力。Qwip 可以用于两维成像的焦点平面阵列，其具体事例为热成像和陆地成像。Qwip具有高速和响应快等特性，这是由于在量子阱中，本征载流子寿命较短（数量级为5ps）。

2.太阳能电池

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世

界能源消费的重要席位，不但要替代部分常

规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源在总能源结构

中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世

界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。