内光电效应的原理及应用

光电导效应与光生伏特效应的原理及应用第1页内光电效应的原理及应用宋泽豹中国地质大学(武汉)数学与物理学院122121摘要：内光电效应包括光电导效应与光生伏特效应。光生伏特效应在光纤通信，高能物理，传感检测系统，以及核能医学等方面都有着广泛的应用。光电导效应主要应用于电子电路，仪器仪表，光电控制，计量分析，光电制导，以及激光外差探测等领域。本文主要介绍光电导效应与光生伏特效应的原理以及相应的应用。关键词：内光电效应；硅光电二极管；p-n结；光探测器ThePrincipleandApplicationofTheinternalphotoelectriceffectSONGZe-bao(Schoolofmathematicsandphysics，ChinaUniversityofGeosciences，wuhan122121)Abstract:Theinternalphotoelectriceffectincludingphotoconductiveeffectandphotovoltaiceffect.PhotovoltageEffectinopticalfibercommunication,highenergyphysics,sensingdetectionsystem,Aswellasnuclearmedicinehasbeenwidelyused.Photoconductiveeffectismainlyusedinelectroniccircuits,instrumentsandmeters,photoelectriccontrol,measurementanalysis,photoelectricguidance,aswellasthelaserheterodynedetection,etc.Thispapermainlyintroducestheprincipleandapplicationofphotoconductiveeffectandphotovoltaiceffect.Keywords:Thephotoelectriceffect;Siliconphotoelectricdiode;p-njunction;Lightdetector1引言随着人类对新技术的不断掌握和利用，对光能的研究也进入了一个新的阶段。1873年，英国人史密斯发现了硒的光电导效应。直到20世纪50年代，由于科学技术的进步，造出了性能优越的光电器件，光电导材料逐渐地应用于军事、生产、生活等各个方面。目前，光电导效应已广泛应用于现代高新科学技术之中。20世纪30年代，人们对光的探测与研究用的是光电倍增管（PMT）。在半导体行业出现后，光敏半导体探测设备得到了快速的发展。像Si光电二极管，PIN光电二极管，雪崩二极管，肖特基势垒光电二极管以及光电三极管都得到了广泛的应用。2光电转换原理2.1光电导效应光电导效应是两种内光电效应中的一种。内光电效应是指受到光照的半导体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象。其中，由于光照而引起半导体的电导率发生变化的现象称为光电导效应。单个原子中的电子能量只能取分立的值，称之为能级，如图（a）所示。由于晶体是由大量个原子组成，当原子之间相互作用时，原来单个原子的能级便分裂形成许多对应的子能级。对应于原来同一能级的子能级之间的能量差很小，通常可以把这些子能级看成是准连续的。这些准连续的子能级就构成了能带。泡利不相容原理指出两个费米子不能处在同一量子态。又由最低能量原理可知，电子首先填完最低能带而后依次向上填，直到所有能带填完为止。若最高能量的电子正好把一个能带填满而其上的能带没有电子，这样的材料就是绝缘体，如图(b)所示。若电子最多只能填充一个能带的下半部分，这样的材料就是导体，如图(c）所示。光电导效应与光生伏特效应的原理及应用第2页高能带如果被电子填满，则称为满带；如果没有被电子填满，则称为导带；如果没有填电子，则称为空带。满带顶与其邻近空带底之间的能量宽度称为禁带宽度，用gE表示，它是材料研究中的一个十分重要的参数。固体导电的本质是固体中的电子与外场发生能量交换，而电子能量的变化意味着电子在能带中的状态发生了变化。在满带中，电子不能随便移动，故满带不导电。在导带中，由于各个子能级的能量差相对较小，与外场可以进行能量交换所以是可以导电的。当光子能量h大于或等于半导体的禁带宽度gE时，价带中的电子会吸收入射光子的能量而跃迁至空带，同时在价带中留下空穴，于是引起半导体电导率的变化，这就是光电导效应。2.2光生伏特效应从晶体管原理可知，当把P型半导体和N型半导体结合在一起时N型半导体中的电子与P半导体中的空穴就会相互扩散，结果在P-N结交界面附近形成一个空穴。电场方向由N型半导体指向P型半导体，如图。当光线照射在P-N结及其附近时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子(电子、空穴对)。电子在被激发后留下空穴，在内电场的作用下电子流向N型区域，空穴流向P型区域。导致在N型区域有电子累积，在P型区域有空穴累积。进而使P-N结两端产生附加电动势，也就是光生电动势。这种现象就是光生伏特效应，如果将P-N结用外电路连接就会有电流流过外电路，电流方向是由P区流向N区。这就是光生伏特效应产生电流或者电压的简单原理。P-N结光伏探测器等效为一个普通二极管和一个恒流(光电流)源的并联，如图。普通二极管的伏安特性为：])[exp(TkeuiiBsoD考虑到光伏探测器的总的伏安特性以及节点电流关系：iiiD就可以得到：iTkeuiiiiiBsoDD])[exp(（1）式中SOi为二极管的反向饱和电流，i为流过探测器的总电流e为电子电荷，Bk为玻尔兹曼常数，T为探测器件的温度，u为探测器两端所加载电压。当i时，上式就是P-N结的伏安特性公式，当i时，上式就是带有光生伏特效应的P-N结的伏安特性公式。将u作为横坐标，i作为纵坐标，做出伏安曲线图，如图。上图中伏安特性曲线与电流轴的交点u表示短路情况，由式(1)可知，短路电流Siisc(S为光电灵敏度，为光通量)它与光通量或光照度成线性关系。伏安特性曲线与电压轴的交点i表示开路情况，在(1)式中令i，可得开路电压：)ln(soBiieTku（2）由（2）知道开路电压与光通量或光照度成非线性关系。上图中第四象限的伏安特性是光生电动势区域即光电池的伏安特性。第四象限助电压为正，电光伏探测器伏安特性曲线光伏探测器件等效图光电导效应与光生伏特效应的原理及应用第3页流为负，表明光电具有“发电”特性。“发电”特性意味着熊发出功率或产生电流。这样，若在外电路接一电阻作为光电池的负载，能把光能变成电能。而第三象限是反偏压状态这时sDii，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称之为暗电流，是对应光功率P时的电流，对应的光电流大小为siii，由于暗电流很小，一般只考虑i影响，这时对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，应为他的外回路特性与光电导探测器十分相似。3光电导效应与光生伏特效应的应用3.1光电导效应的应用利用光电导效应可制成光敏电阻，不同波长的光子具有不同的能量，因此不同的材料响应不同的波长的光。对紫外光较灵敏的光敏电阻称紫外光敏电阻，如硫化镉和硒化镉光敏电阻，用于探测紫外线。对可见光灵敏的光敏电阻称可见光光敏电阻，如硒化铂、硫化铂及锗、硅光敏电阻，用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗，光电计算器，光电控制照明，自动安全保护等。对红外线敏感的光敏电阻称红外光敏电阻，如硫化铅、硒化铅等，用于夜间或淡雾中探测能够辐射红外线口标，红外通信，导弹制导等。3.1.1光敏电阻的一般特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与两端的电压的关系称为它的伏安特性，如下图所示。可以知道当光照强度不一样时，斜率不一样，表明在不同光照下电阻的阻值不同。利用伏安特性曲线可以计算出光敏电阻的阻值。曲线的横坐标为电压，纵坐标为电流。在给定的电压情况下，光照度越大，光电流也就越大，在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大。现在考虑光敏电阻的光谱特性，光敏电阻对入射光的光谱具有一定的选择性，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。若将不同波长下的灵敏度作图成曲线，就可以得到光谱特性的曲线图。光谱特性与光敏电阻的材料有关，故在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的大致波长结合起来考虑。3.2光生伏特效应的应用光生伏特效应最主要的应用在于硅光电池，其中硅光电池分为太阳光电池和测量光电池。也应用于硅光二极管、硅光三极管。3.2.1光电池的一般特性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时实质就是电源。光电池的工作原理是基于光生伏特效应。它实质上是一个大面积的P-N结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。光电池对不同波长的光的灵敏度是不一样的。硅光电池光谱响应峰值的波长在0.8μm附近，光谱响应波长范围为0.4~1.2μm。硒光电池光谱响应峰值的波长在0.5μm附近，光谱响应波长范围为硒光电池在0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性的。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。4结语随着人类对新技术的不断掌握和利用，各种与光电有关的效应现象已经被运用于我们的生产生活中，特别是一些比较成熟的技术，如光生伏特效应，光敏电阻伏安特性曲线光电导效应与光生伏特效应的原理及应用第4页光电导效应等。现代社会的国防建设、生产建设、科学研究、教育教学和家庭生活都离不开其应用。5参考文献[1]黄敏敏.硅光电探测器特性分析与实验研究[D].扬州大学,2011.[2]彭文胜,王建中.光电导效应及其应用探究[J].高等函授学报(自然科学版),2007,06:32-35.[3]陈宜生.外光电效应及其应用[J].物理通报,1994,05:34-36+18.[4]陈宜生,张立升.光电导效应及其应用[J].物理通报,1994,06:35-37.[5]秉时,燕南.光敏电阻及应用[J].红外,1999,07:49.[6]汤定元.光电效应[J].物理通报,1956,03:151-154.[7]王因生,熊承堃,林金庭.双掺硅P-N结特性[J].固体电子学研究与进展,1985,03:205-219.[8]吴石明.硅光电二极管的特性分析与参数测量[J].实验技术与管理,1987,01:33-38.[9]杨东,轩克辉,董雪峰.光敏电阻的特性及应用研究[J].山东轻工业学院学报(自然科学版),2013,02:49-52.[10]杨经国冉瑞江杜定旭等,《光电子技术》,四川大学出版社,1990年12月第1版.