关于开设内光电效应实验的探索与思考

陈　彪，杜晓燕，门高夫

(河北工程大学 理学院，河北 邯郸 056021)



关于开设内光电效应实验的探索与思考

陈彪，杜晓燕，门高夫

(河北工程大学 理学院，河北 邯郸 056021)

摘要：介绍了开设以内光电效应为理论基础的半导体光电器件的重要性和迫切性，并详细介绍了内光电效应的理论与半导体光电器件的分类和应用前景.

关键词：内光电效应;光电导;光生伏特;光磁电

1引言

光电效应有内外之分，外光电效应的内容在各种版本的物理教材中都有详尽的介绍，以测量普朗克常量和验证外光电效应实验规律的物理实验仪器应有尽有，学生对此也有相应的认识，尤其是在应用技术方面更是如此. 相形之下，内光电效应的内容和实验尤其是在非光学专业的物理教材中，几乎均未曾提及，学生对以内光电效应理论为基础的半导体光电器件的性能和应用更是一无所知，而在高新技术突飞猛进、信息化时代的今天，如果如此下去，我们所培养的学生将不能够适应当前形式发展的需要. 为此笔者认为有必要对非光学专业的学生加开或选做内光电效应实验.

2历史回顾

以内光电效应为理论基础的半导体光电器件是随着半导体物理学和半导体工艺学的发展而产生和发展的. 1839年培克雷尔(Becgurel)发现了光生伏特效应，1883年夫利兹(Filtts)研制出了第一个Se光伏特电池，以后随着对半导体内光电效应的研究又相继研制成功了光敏电阻和其他探测器. 1941年奥勒(Ohl)制出了第一个单晶硅光电池，到20世纪50年代，在发展半导体器件工艺的同时，又相继研制成功了光电二极管和光电三极管，70年代末，以半导体光电器件为敏感元件的光学传感器已在多领域广泛使用. 与此同时，光纤通讯、光纤传感已广泛应用于军事、国防工业、人造卫星等空间技术领域.

半导体光电器件经过一个多世纪的发展，现在已广泛应用于国民经济、军事、科学技术等各个部门. 在工业自动化、自动控制等方面，光敏电阻、光电池和光电二极管等器件的应用占有重要地位. 利用红外光电器件的红外探测、跟踪、遥感、遥测和红外成像技术在军事上有重要意义. 太阳能电池为宇宙航行、空间技术提供了可靠的长期能源，此外随着地球上石油、煤等能源的大量消耗，太阳能的利用已提到了重要议程，现在己得到广泛的重视. 总之半导体光电器件在现代科学技术发展中占有重要地位[1-4].

3思考与探索

既知半导体光电器件的应用如此重要，有必要对非光学专业的学生进行选修内光电效应理论和选作半导体光电器件应用的典型实验，使之对内光电效应的一些基本观点和基本概念有清晰认识，对半导体光电器件应用的技术有全新的了解.

3.1　内光电效应原理

光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应均为内光电效应. 现分别叙述：

1)光电导效应

光电导效应是光电导探测器光电转化的基础. 当半导体材料受光照射时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料导电率增大. 这种现象称为光电导效应. 材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电效应也有本征型和非本征型. 当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带，在价带中留空穴，从而使材料的导电率增大，这是本征光电导效应. 若光子能量激发杂质半导体中的施主或受主，使它们产生电离，产生光生自由电子或自由空穴，从而增加材料导电率，这种现象就是非本征光电导效应. 材料受光照引起导电率的变化，在外电场作用下就能得到电流的变化.

2)光生伏特效应

光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象称为光生伏特效应. 这种效应是基于2种材料互相接触形成内建势垒，当光子激发后光生载流子注入到势垒附近就形成了光生电压. 因为所用材料不同，于是就有不同的PN结、PIN结、金属与半导体的肖特基结和异质结等多种结构的光生伏特效应.

现以PN结为例分析光生伏特效应. 当PN结受到光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子. 但是能引起光生伏特效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子. 因为P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属于多数载流子，都被势垒结阻挡而不能过结. 只有P区的光生电子与N区的光生空穴和结区的电子空穴对(称少数载流子)扩散到结电场附近时能够在内建电场作用下漂移过结. 光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区. 样品处于开路状态时结附近的N区积累着光生电子，P区积累着光生空穴，P为正，N为负，形成光生电压VS,光生电压方向与内建电场方向相反. 此时，若样品短路会在外电路形成短路电流，这种短路电流就是光生载流子过结的电流.

3)丹倍效应和光磁电效应

均匀光电导体当光激发不均匀时，载流子密度也就不均匀.

a.当某一单色光照射光电导样品时，且样品的吸收系数a很大，而使(1/a)≤d(d为样品的厚度)，则过剩载流子出现不均匀分布，从而产生扩散电流. 当电子和空穴的扩散常量不同时，存在有垂直于光照表面的内建电场，即在前后表面之间产生光生电压，这就是丹倍效应.

b.丹倍电动势发生在载流子扩散方向上，当均匀光照时横向(即平行与光照的方向)是不会有光生电压的. 若在垂直光照的竖直方向上加一磁场，此时沿光照方向流动的电子和空穴则受到洛仑兹力的作用，空穴向上、电子向下，于是在与光照垂直的另一方向就有光生电压，若用导线短接外电路则有电流通过. 该现象即为光磁电效应[5-8].

3.2　半导体光电器件的分类

就器件的物理过程来说，有光电导型、光生伏特型和光磁电型3类，分别利用了半导体的光电导、光生伏特和光磁电3种光电效应.

就器件的构造来说，可分为均质型和结型2种. 均质型半导体器件多利用光电导效应和光磁电效应，最典型的器件是光敏电阻. 结型半导体光电器件按结的种类不同又可分为PN结、PIN结、异质结和肖特基结，它们多做成光电池、光电二极管和多极管.

就器件的应用，可分为换能器件和探测器件2种. 换能器件着重于光能转换为电能，最典型的器件是太阳能电池，评价这类器件的最重要的指标是转换效率. 探测器件则着重于把光辐射信号转换为电信号，其种类繁多. 光敏电阻、光电池、各种类型的光电二极管都广泛应用于各波段的光辐射探测. 评价探测器件的主要指标是光谱响应特性、探测灵敏度和调制频率响应特性. 按照探测的辐射波长又可分为可见光探测器、红外探测器和紫外探测器等.

4典型应用

4.1　光敏电阻

1)光敏电阻[9]的主要性能指标：光谱特性、暗电阻、照度特性、温度特性、最高工作电压和允许耗散功率.

2)种类：按光谱特性和最佳工作波段划分有3种：

a.对紫外光(0.3~0.4 μm)灵敏的光敏电阻，主要用于探测和度量各种射线强度的α,γ射线计量计和α,β射线晶体计数管.

b.对可见光(0.4~0.76 μm)灵敏的光敏电阻，这类光敏电阻主要用于制造自动控制元件，如产品计数器、路灯控制器等以及安全保护装置和位移、液面等自动控制装置的光探测头.

c.对红外光(0．76~6 μm)灵敏的光敏电阻. 主要用于科学研究和探测不可见目标.

3)派生器件

a.光电耦合器：它是将发光器件和光敏电阻构成光结合器件的总称，具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，单向传输信号,能传输模拟信号和数字信号. 一类用于光隔离，另一类用于光传感器.

b.光电位器：用于位置检测的无接点电位器.

c.光桥.

4)应用

a.在电子电路中,电视机亮度自动调节、远距离自动切换和增益的自动切换.

b.在仪器仪表中,作照度计、浓度计、辐射高温计、灵敏电流计和比色计等[10].

c.路灯的自动点亮和熄灭、汽车前灯的自动切换、浮标灯的自动点灭和自动报警.

d.照相机电子快门.

4.2　光电池

1)光电池的主要性能指标：

a.伏安特性. b.转换效率和最佳负载电阻. c.光谱响应. d.响应时间. e.温度特性.

2)种类

Se光电池、GaAs光电池和Si光电池3种. Se光电池适用于可见光的接收，但转换效率低，寿命短. GaAs光电池的光谱响应与太阳光谱吻合得好，但转换效率低. Si光电池的价格低廉、转换效率高、寿命长、易接收红外光，是一种很有发展前途的器件.

3)用途

a.用作光电探测元件. 在气象、农业、林业等方面测量太阳光的辐射量；用于制造各种光电自动控制装置，如光开关、光阀门、光电比色计和光电高温计.

b.用作电源. 作为一般能源补充，此时要求价格低廉、功率大；作为宇航电源，此时要求体积小、重量轻、转换效率高；作为一般民用电器补充，要求价格低廉、体积小，不要求容量大[11].

4)应用

a.颜色识别. b.光电开关电路. c.照相机用曝光表. d.弱光检测. e.比色高温计.

4.3　光电二极管

1)性能参量

a.伏安特性. b.最高工作电压. c.光电流. d.暗电流. e.光谱响应. f.光电灵敏度. g.响应

时间. h.结电容. i.指向特性. j.噪声特性.

2)种类

a.PN结. b.PIN结. c.异质结. d.肖特基结.

3)应用

a.光信号放大电路. b.光开关电路. c.转速测定仪[12-13].

5结束语

通过开设内光电效应选修课和自行设计、选作半导体光电器件应用的实验，非光学专业的学生拓宽了视野，提高了动手能力，提高了分析问题解决问题的能力. 但因课时和仪器有限还未能如愿将目前好多很有典型很有意义的实验全部开设出来. 但我们深信所有选作我们这些实验的学生无疑都看到了新型光电器件的应用前景.

参考文献：

[1]李科杰. 传感技术[M]. 北京:北京理工大学出版社，1989：310-273.

[2]刘振玉. 光电技术[M]. 北京:北京理工学大出版社，1986：27-142.

[3]潘天明. 半导体光电器件及其应有[M]. 北京:冶金工业出版社，1985：120-275.

[4]黄昆,谢希德. 半导体物理学[M]. 北京:科学出版社，1965：313-384.

[5]王君容,薛召南. 光电子器件[M]. 北京:国防工业出版社，1982：24-89，257-275.

[6]陈彪. 半导体色敏探测器的研究[J]. 光电技术，1988,8(3)：25-29.

[7]陈若辉,王海燕. 光电效应实验中阳极光电流的测量[J]. 物理实验，2012,32(1)：6-9.

[8]纪红. 红外技术基础与应用[M]. 北京:科学出版社，1979：81-102.

[9]关海艳,冯毅,何春风,等. 光敏电阻综合演示仪的设计[J]. 物理实验,2014,34(2)：25-27.

[10]杨应平,陈梦苇,贾信庭. 四象限光电探测器实验装置的研究与应用[J]. 物理实验，2014,34(5)：29-34.

[11]李登,陈涛,万勇平,等. 自启动太阳能温差发电系统[J]. 物理实验,2013,33(10)：44-48.

[12]天津大学电视研究室. 电视原理[M]. 北京:国防工业出版社，1981：1-38.

[13]麻佳琪,张孟杨,杨胡江,等. 基于三基色LED的色匹配实验[J]. 物理实验，2014,34(4)：42-44.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O482.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0030-03

作者简介：陈彪(1951-)男，河北邯郸人，河北工程大学理学院副教授，学士，从事物理教学及实验物理光电教学仪器的研究.

收稿日期：2014-05-22；修改日期：2014-09-24

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文