半导体内光电效应及其应用简介
——对高中物理教材中光电效应部分内容的补充与探讨
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,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
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