半导体内光电效应及其应用简介
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&& 摘要：本文对高中物理教材中的光电效应现象及规律部分的内容进行了探讨和补充,重点介绍了半导体的内光电效应中的PN结光伏效应及其在太阳电池等方面的应用。最后,作者还对在中学如何拓展物理知识、如何与大学教学衔接等教改中的问题提出了自己的想法和建议。　　　　关键词：内光电效应;半导体;PN结;高中物理教学　　　　光电效应的现象和规律以及爱因斯坦的光子说和光电效应方程是高中物理教学中的重点。近几年的高考考试大纲中对这几个知识点都做了较高(Ⅱ类)要求。人民教育出版社出版的高中教材《物理》第三册的第二十一章《量子论初步》中的第一节“光电效应-光子”中介绍的光电效应的概念为:在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,发射出来的电子叫光电子。而后主要介绍和分析了光照射到金属表面产生逸出表面的光电子的现象及规律。高中教材中讲述的光电子逸出金属表面的现象只是其中的一种,通常称之为外光电效应或光电发射。而光照射到半导体等材料表面,由于材料原子能级结构的特殊性,虽然有时不产生逸出的光电子,但材料内部的电子能量、载流子浓度、分布及内部场的情况却可能随光照发生较大的变化。从而形成各种电磁效应或现象,这些现象一般统称为内光电效应。现在广泛应用的太阳电池和各种以光敏元件为基础的光电探测器都是在内光电效应的基础上研制、开发出来的。因此,在高中物理课中进行“光电效应”部分的教学时,适当地补充内光电效应及其应用的内容,不仅使学生对光电效应、能量转化有更全面的认识,而且加强了学生对物理与生产、生活实际和科技发展联系的认识。因而是很值得尝试的。　　　　一、半导体的能带结构　　　　按照量子力学理论,由于物质内原子间靠得很近,彼此的能级会互相影响,而使原子能级展宽成一个个能带。又由于电子是费米子,遵从泡利不相容原理。电子以能量大小为序,从基态开始,每个量子态上一个电子向上填充,直填到费米能εF为止。再上面的能级都是空的。被电子填满的能带叫满带。满带中的电子如同很多人挤在一个狭小的空间,谁也动不了。所以,虽然有许多电子,但是不能形成定向移动,因而满带中的电子不是载流子,是不能导电的。全部空着的能带称为空带。能带间的间隔叫带隙(用Eg表示)或禁带,禁带不允许有电子存在。图1所示的是导体、绝缘体、半导体的能带结构示意图。如图1(a)所示,导体的费米能级εF在一个能带的中央,该能带被部分填充。由于能带的亚结构之间的能量相差很小,因此这时只需很少的能量(如一外加电场),就能把电子激发到空的能级上,形成定向移动的电流。这正是具有这种能带结构的物质被称为导体的原因。如果某一能带刚好被填满,它与上面的空带间隔着一个禁带,此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。一般带隙较大(大于10eV数量级)的物质,被称为绝缘体,如图1(b)所示;而带隙较小(小于1eV数量级)的物质,被称为半导体,如图1(c)所示。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内,此时紧邻着禁带的满带称为价带,而上面的空带称为导带。如果由于某种原因将价带顶部的一些电子激发到导带底部,在价带顶部就相应地留下一些空穴,从而使导带和价带都变得可以导电了。所以半导体的载流子有电子和空穴两种。可见,半导体介于导体与绝缘体之间的特殊的导电性是由它的能带结构决定的。　　
　　二、半导体的内光电效应　　　　当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥E(gEg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子――空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即E入=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。广义地说,这也是一种光电效应。这些效应,可以由半导体材料对光波的吸收谱线来观察和分析。　　　　三、半导体材料的掺杂与PN结的形成　　
　　半导体材料硅(Si)和锗(Ge)都是第Ⅳ主族元素,每个电子的4个价电子与近邻的4个原子的一个价电子形成共价键。如图2(a)所示。这些价电子就是处在价带中的电子。纯净的半导体材料结构比较稳定,在室温下只有极少数电子能被激发到禁带以上的导带中去,形成电子――空穴对的载流子。但如果将纯净的半导体材料中掺入微量的杂质,就可以使半导体的导电性能大大改观。同时还可以通过掺杂来控制和改变半导体的导电性和其它性能,丰富半导体的应用。半导体掺杂主要有两种类型。一种是在纯净的半导体中掺入微量的第Ⅴ主族杂质,如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。当它们在晶格中替代硅原子后,它的五个价电子除了四个与近邻的硅原子形成共价键外,还多出一个电子吸附在已成为带正电的杂质离导带εF禁带周围,如图2(b)所示。这种提供电子的杂质叫施主杂质。量子理论分析的结果表明,此时将在靠近半导体导　　
带下边缘的禁带中产生一个施主能级,如图所示。此能级与导带底能隙很小,室温下其上的电子也可大量激发到导带上去,形成载流子。这种主要依靠施主杂质提供电子导电的半导体,叫N型半导体。它的多数载流子(简称多子)是电子,少数载流子(简称少子)是空穴。另一种掺杂是在纯净半导体中掺入微量第Ⅲ主族杂质,如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等。此时会形成如图2(c)所示的接受电子的受主杂质。这也相当于提供了一个空穴。这种掺杂产生的受主能级在靠近价带上边缘的禁带中。室温下价带中的电子可以大量激发到受主能级上去,而在价带中留下正载流子――空穴,如图3(b)所示。这种主要依靠受主杂质提供的空穴导电的半导体叫P型半导体。其多子是空穴,少子是电子。如果一块半导体材料中,一部分P型区紧邻着另一部分N型区,如图4(a)所示,由于两个区域的多子类型不同,某区域内浓度高的载流子　　
　　要向另一个区域扩散。即P区的多子空穴向N区扩散,而N区的多子电子向P区扩散。直至在接触面附近形成一个由N区指向P区的内建场阻止电荷的继续扩散,达到动态平衡。如图4(b)所示。此时在两区交界处就形成了PN结。　　　　四、PN结光伏效应的光电转换机制　　
　　半导体PN结的光生伏特效应是指半导体吸收光能在PN结区产生电动势的效应。它的主要光电转换过程如下:当用光子能量hν≥E(gEg为带隙间隔)的入射光照射半导体PN结时,半导体内的电子吸收能量,可激发出电子――空穴对。这些非平衡载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用下分离。电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方向向P区移动,如图5(a)所示。结果在N区边界积累了电子,在P区边界积累了空穴,如图5(b)所示。这样就产生了一个与平衡态PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指向N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。这样就把光能转化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。　　　　五、PN结光伏效应的应用　　　　(一)太阳电池。　　　　PN结光伏效应的一个重要的应用是利用光照射时,PN结产生的光生电压制造把太阳光能转化成电能的器件――太阳电池。制造太阳电池的材料主要有硅(Si)、硫化镉(CdS)和砷化镓(GaAs)等。现在仍有很多新型高效材料正在研究实验中。目前,太阳电池的应用已十分广泛。它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。在其它方面的应用也十分普遍。关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:　　　　宇宙开发――观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星…　　　　航空运输――飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…　　　　气象观测――无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…　　　　航线识别――航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…　　　　通讯设备――无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…　　　　农畜牧业――电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯…　　　　公路铁路――无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急电话…　　　　日常生活――照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯　　
　　太阳电池的基本结构是:把一个大面积PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN结,底电极一般做成大面积的金属板。如图6所示。图7为两种实际应用的太阳电池板。　　　　例如2002年春季普通高中毕业会考的物理试题中有这样一个选择题:例:许多人造卫星都用太阳能电池供电。太阳能电池由许多片电池板组成。当太阳光照射某电池板时,该电池板的开路电压是600mV,短路电流是30mA,那么,这块电池板的内电阻是()。　　　　A.10ΩB.20ΩC.40ΩD.60Ω　　　　由闭合电路欧姆定律不难得出,内电阻为600mV/30mA=20Ω.即选项B正确。　　　　(二)光电探测器。　　　　光电探测器也是对半导体光电效应的重要应用。光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。其中光敏管(包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管)是此类光电器件的重要组成部分。它与我们高中教材传感器实验中研究的光敏电阻都是实行光电信号转化的装置。光电探测器在科技、生活、生产和国防建设中都有着重要的应用。例如数码照相机、数码摄像机、天文显微镜、GPS全球定位系统、气象卫星拍摄的气象云图、巡航导弹目标定位等等。这些应用中最基本的是有一个非常灵敏的光电探测器。图8所示是一些实际应用中的光电探测器件的图片。　　
　　六、对今后物理教学的思考与建议　　　　通过适当考查教材中没有学过的内容来考查学生的自学能力及分析、解决问题的能力,是现在考试评价体系的一个发展趋势。它旨在更加全面地考核学生的科学素养。这就要求我们中学教师在教学中不能完全照本宣科,而应该以教学大纲为本,在内容上,尝试深入浅出地适当拓展与补充。以使学生对物理的现象、规律有更本质和深入的认识,提高科学素质,并与今后在大学中的继续学习和研究更好地衔接。以笔者在教学实践中的体会,中学物理教学的拓展与补充的形式可以是多种多样的。可以在课堂教学中渗透;也可以通过课外研究性学习、科普讲座或选修课的形式进行。应特别注意把握教学的内容,切忌把这种拓展教学的尝试与补课、提高、竞赛辅导等一味增加知识、增加难度、变相地把大学知识强加到中学课堂的做法相混淆。因此,一定要注意深入浅出,注意定性介绍与定量分析的比例的把握。特别是在考核上不要作太高要求。否则,不仅没有起到增加兴趣、开阔眼界、提高素质的目的,反而更加重了学生的负担。本文共1页&
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【科普】薄膜太阳能电池你真的懂？
一种新的技术已经可以很好地替代传统的硅太阳能板，能够高效、廉价地将太阳能转变为电能。这项新技术就是薄膜光电转换电池，到2010年，它们在全球产生的电能已经达到3700兆瓦。
　　根据所用半导体的类型，薄膜主要有以下三类：非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒。非晶硅是传统硅晶电池的改进版，那么非晶硅的概念就很好理解了，它们被广泛应用于太阳能电子器件中，但是非晶硅也存在着一些缺点和不足。　　非晶硅太阳能电池最大的问题之一就是其半导体所用的材料，硅在市场上并不容易找到，往往是供小于求；而非晶硅的效率又不够高。因此，这种电池正经历着显著的没落。更薄的非晶硅电池克服了这一缺点，但是厚度减小后的电池吸收光能的效率更低了。综上所述，硅的特性使得非晶硅电池适用于小尺寸器件，比如说计算器，但不适用于大尺寸器件，比如靠太阳能供电的建筑物。　　无硅薄膜光电技术的良好发展开始克服非晶硅存在的问题。接下来，我们将探讨碲化镉电池和铜铟镓硒电池。　　基于玻璃的铜铟镓硒太阳能电池　　基于箔条的铜铟镓硒太阳能电池　　薄膜太阳能电池的结构　　因为太阳能电池的功能和结构是密切相关的，所以我们还是有必要回顾一下它的工作原理。薄膜太阳能电池背后的基础科学知识与传统的硅晶电池还是相同的。　　光电转换电池需要依赖于半导体。半导体以纯物质存在时是绝缘体，但是被加热或和其他材料结合时便能够导电。当半导体材料被混合或掺杂磷后，就有了额外的自由电子，这就是我们所熟知的N型半导体。当半导体以其他材料掺杂（如硼），就有了额外的空位能够接收电子，这就是P型半导体。　　薄膜太阳能电池通过一层膜将N型半导体和P型半导体连接起来，这就是连接面。即使在没有光的情况下，少量的电子能够从N型半导体穿过连接面到达P型半导体，产生一个小电压。在有光的条件下，光子能够击出大量的电子，这些电子流过连接面形成电流。此电流能够为用电设备供能，从白炽灯到手机充电器。　　传统的太阳能电池在P型半导体和N型半导体中加入硅，而最新一代的薄膜太阳能电池使用碲化镉或铜铟镓硒薄层替代硅。Nanosolar公司已经开发出了一种新工艺将铜铟镓硒材料制成含油墨的纳米粒。一个纳米粒是指至少在一维上的尺寸小于1纳米的粒子。以纳米粒子的形式存在，铜铟镓硒四种元素在均匀分配系统中进行自装配，以确保这四种元素的比例永远是正确的。&
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