半導體光電效應及其應用

1、半導體光電效應及其應用量子力學無疑是 20世紀最偉大的科學成就之一，它的誕生是人類對自然界，尤其對微觀世界的認識有了質(zhì)的飛躍，對許多造福人類的高新技術的發(fā)展起了奠 基、催生和巨大的推動作用。自 20 世紀中期開始，電子工業(yè)取得了長足的進步，目前已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)，而其基礎為半導體材料。為了適應電子工業(yè)的巨大需求，從第一代半導 體材料：硅、鍺（1822 年，瑞典化學家白則里用金屬鉀還原氟化硅得到了單質(zhì)硅。發(fā)展到第二代半導體材料：IIIV族化合物，再到現(xiàn)在的第三代半導體 材料：寬帶隙半導體。半導體領域取得了突飛猛進的發(fā)展。一、光電效應光照射到某些物質(zhì)上， 引起物質(zhì)的電性 質(zhì)發(fā)生變化， 也就是光

2、能量轉換成電能。 這 類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應 （ Photoelectric effect ） 。 這 一現(xiàn) 象 是 1887 年赫茲在實驗研究麥克斯韋電磁理論 時偶然發(fā)現(xiàn)的。 1905 年，愛因斯坦在關于光的產(chǎn)生和轉化的一個啟發(fā)性 觀點一文中，用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋。 1916 年，美 國科學家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也 證明了光量子理論。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現(xiàn)象 發(fā)生在物體表面，物體在光的照射下光電子飛到物體外部的現(xiàn)象，又稱外光電 效應。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放

3、出電 子并不溢出物體表面，而是仍留在內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)、外光電效應在 光電器件和光電子技術中具有重要的作用，根據(jù)這些效應可制成不同的光電轉換 器件（光敏器件）。通過大量的實驗總結出光電效應具有如下實驗規(guī)律：1、每一種金屬在產(chǎn)生光電效應是都存在一極限頻率（或稱截止頻 率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無 光電子逸出。2、光電效應中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無 關。3、光電效應的瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限 頻率，光的亮度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，響應時間不超

4、過 十的負九次方秒（Ins ）。4、入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間內(nèi)由 單位面積是逸出的光電子數(shù)目。外光電效應不言而喻，就是物體在光的照射下光電子飛到物體外部的現(xiàn)象，光電效應的 發(fā)現(xiàn)與最初的研究就是主要通過外光電效應來進行的。光電導效應光吸收使半導體中形成非平衡載流子（光生載流子），載流子濃度的增 大使其電導率a增大，所引起的附加電導率稱為光電導。光電導效應是光 電子器件的基礎。半導體材料對光的吸收系數(shù)隨光的波長而變化，所以光 電導具有一定的光譜分布。光生伏特效應如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量 的光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，

5、以致產(chǎn)生電子一 空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過空間電荷的電場作 用被相互分離。非平衡的載流子從產(chǎn)生處向勢壘區(qū)（結區(qū)）運動；非平衡的電 子和空穴在結區(qū)勢場的作用下向相反的方向運動而分離。P區(qū)的非平衡電子穿過 p-n結進入n區(qū)，而n區(qū)的非平衡空穴進入p區(qū)，從而在p型和n型區(qū)有電荷積 累。由于p區(qū)邊界積累非平衡空穴，n區(qū)邊界積累非平衡電子，產(chǎn)生一個與平衡 p-n結內(nèi)電場方向相反的光生電場，于是在p區(qū)和n區(qū)建立了光生電動勢。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來 說，開路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對越多，電流越大。界面層吸收

6、的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。二、光電效應的應用1光電探測器光電探測器是通過電過程探測光信號的半導體器件。伴隨著相干和非相干光 源相遠紅外波段及紫外波段的擴展，對高速、高靈敏光電探測器的需求迅速增加， 通常來講，光電探測器包括三個基本過程：1）入射光產(chǎn)生載流子；2）通過某種 電流增益機制形成載流子的輸入和倍增；3）載流子形成端電流，提供輸出信號。在紅外波段（0.81.6u m）的光纖通信系統(tǒng)中，光電探測器十分重要，它可 對光信號進行解調(diào)，即將光的變化轉化為電學量的變化，然后將電學量放大并進 一步處理。對于此類應用，光電探測器必須滿足若干要求，例如在工作波段上

7、要 有高的靈敏度、快速的響應速度和低噪聲。另外，光電探測器的體積應該較小， 工作偏置電壓和電流低，并且在使用條件下可靠工作。1983年至 1985 年間，人們首次研究了量子阱中導帶內(nèi)、價帶內(nèi)的非帶間躍 遷的紅外吸收。第一個基于束縛態(tài)到束縛態(tài)子帶間躍遷的功能性異質(zhì)結量子阱紅 外光電探測器有Levine等人在1987年實現(xiàn)。本例中gaas為量子阱。其厚度約為5nm,通常是摻雜濃度為10人17cm人（-3） 量級的 n 型半導體。勢壘層不摻雜，其厚度約為 3050nm 之間。典型周期數(shù)在 2050 之間。對于由直接黛西材料形成的量子阱，因為子帶間躍遷要求電磁波的電場有與 量子阱的生長面垂直的分量，所

8、以入射光垂直于表面時，吸收為零。這種計劃選 擇規(guī)則需要某種技術使光與光敏感區(qū)耦合。Qwip 基于由子帶間激發(fā)產(chǎn)生的光電導。躍遷的三種類型。在束縛態(tài)到束縛 態(tài)的躍遷中，兩個量子化的能量狀態(tài)是被限定的，并且低于勢壘能量。一個光子 激發(fā)一個電子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)上，隨后電子隧穿出勢阱；在束縛態(tài)到連 續(xù)態(tài)（或束縛態(tài)到擴展態(tài)）激發(fā)中，基態(tài)上面的第一激發(fā)態(tài)能量高于勢壘，受激 電子可以更容易地逃離勢阱，這種束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)的激發(fā)對于具有高吸收、寬波 長響應、低暗電流、高探測率和低壓應用的探測器更有保障；對于束縛態(tài)到微帶 之間的躍遷，由于超晶格結構提出了微帶的概念，基于此躍遷的 qwip 很適合于 焦點平面

9、陣列成像傳感器系統(tǒng)的應用。Qwip 的暗電流是由于越過量子阱勢壘的熱電子發(fā)射和勢壘尖峰附近的熱電 子場發(fā)射造成的。由于此類光探測器針對約320um的波長范圍，因此形成量子 阱的勢壘必須小，約為0.2eV。為了限制暗電流，qwip必須在477K的低溫下 工作。Qwip 對于用 HgCdTe 材料制作的波長光電探測器是一個具有吸引力的替代 結構。HgCdTe光電探測器的問題在于遂穿暗電流過大，以及需要準確的組分重 復能力以獲得精確的帶隙。Qwip與GaAs單片集成電路工藝兼容，可根據(jù)量子 阱的厚度調(diào)整檢測波長范圍。研究表明，已有接近20um的長波探測能力。Qwip 可以用于兩維成像的焦點平面陣列，

10、其具體事例為熱成像和陸地成像。 Qwip 具 有高速和響應快等特性，這是由于在量子阱中，本征載流子壽命較短（數(shù)量級為 5ps）。2.太陽能電池太陽光照在半導體 p-n 結上，形成新的空穴 -電子對，在 p-n 結電場的 作用下，空穴由 n 區(qū)流向 p 區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)，接通電路后就形成 電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的 器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上 時，光電二 極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起 來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池

11、是一 種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點 .太陽能電 池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火 力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以 大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組， 這是其它電源無法比擬的。從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光電轉換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池 仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用 太陽能開辟廣闊的前景。太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世 界能源消費的重要席位，不但要替代部分常 規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主體。 預計到 2030 年，可再生能源在總 能源結構 中將占到 30以上，而太陽