什么半导体具有光伏效应？

光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。太阳电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产生电流。

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

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 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d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。

光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以P-N结为例说明。

热平衡态下的P-N结同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量ΔE很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到 N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。

P-N结能带与接触电势差：

在热平衡条件下，结区有统一的EF；在远离结区的部位，EC、EF、Eν之间的关系与结形成前状态相同。

从能带图看，N型、P型半导体单独存在时，EFN与EFP有一定差值。当N型与P型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，EFN将连同整个N区能带一起下移，EFP将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为EFN=EFP，载流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、P型半导体单独存在时费米能级之差：

qUD=EFN-EFP

得

UD=(EFN-EFP)/q

q：电子电量

UD：接触电势差或内建电势

对于在耗尽区以外的状态：

UD=(KT/q)ln(NAND/ni2)

NA、ND、ni：受主、施主、本征载流子浓度。

可见UD与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，UD越大。

禁带宽的材料，ni较小，故UD也大。

光照下的P-N结

P-N结光电效应：

当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。

实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp，P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。 Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献。

光照下的P-N结电流方程：

与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时I=I0eqU/KT - (I0+Ip)

令Ip=SE，则

I=I0eqU/KT - (I0+SE)

开路电压Uoc：

光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：

0=I0eqU/KT - (I0+SE)

Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)

短路电流Isc：

光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE。

Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。

a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。

b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。

c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。

d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。

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