内光电效应的原理及应用

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

The Principle and Application of The internal photoelectric effect

SONG Ze-bao

(School of mathematics and physics ，China University of Geosciences，wuhan 122121)

Abstract:The internal photoelectric effect including photoconductive effect and photovoltaic effect.Photovoltage Effect in optical fiber communication, high energy physics, sensing detection system, As well as nuclear medicine has been widely used.Photoconductive effect is mainly used in electronic circuits, instruments and meters, photoelectric control, measurement analysis, photoelectric guidance, as well as the laser heterodyne detection, etc.This paper mainly introduces the principle and application of photoconductive effect and photovoltaic effect.

Key words:The photoelectric effect; Silicon photoelectric diode; p-n junction; Light detector

1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σ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σ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。

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

g

E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νh大于或等于半导体的禁带宽度g

E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(1

-

=

T

k

eu

i

i

B

so

D

考虑到光伏探测器的总的伏

安特性以及节点电流关系：

ϕ

i

i

i

D

-

=

就可以得到：

ϕ

ϕ

i

T

k

eu

i

i

i

i

i

B

so

D

D

-

1

-

=

=

-

=]

)

[ex p(（1）

式中

SO

i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，

B

k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0

=

ϕ

i时，上式就是P-N结的伏安特性公式，

当0

≠

ϕ

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

φ

ϕ

S

i

i

sc

=

-

=(S为光电灵敏度，ϕ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0

=

i表示开路情况，在(1)式中令0

=

i，可得开路电压：

)

ln(1

+

=

so

B

i

i

e

T

k

uϕ（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

光伏探测器件等效图