9.3 光生伏特效应

9.3 光生伏特效应用适当波长的光照射没有外加偏压的非均匀半导体(如 pn 结)或其它半导体结构时，由于光激发和半导体内建电场的作用，使半导体内部产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。

常见的光生伏特效应有：

1、PN 结光生伏特效应

2、体内光生伏特效应（丹倍效应）

3、光磁电效应1、无光照

在 p 区和 n 区的界面附近

形成空间电荷区和内建电场。电

子和空穴的漂移运动方向与各自

的扩散运动方向相反，达到一个

动态平衡时，即形成了一个保持

一定宽度的空间电荷区，p 区和

n 区具有统一的费米能级，处于

热平衡状态。

图1 无光照时的空间电荷区和能带结构2、有光照

光照射半导体，若光子能量大于

禁带宽度，由于本征吸收使体内产生

电子空穴对。在光激发下，半导体的

多数载流子浓度一般变化很小，然而

少数载流子浓度却变化很大，因此，

这里主要考虑少子的运动。

图2 有光照时的空间电荷区和能带结构在内建电场的作用下，p 区的光生电子穿过 pn 结进入 n 区，而 n 区的光生空穴则进入 p 区，使 p 端电势升高，n 端电势降低，于是在 pn 结两端形成了光生电动势。这一现象就是 pn 结的光生伏特效应。

此时，p区和n区没有统一的费米能级，在半导体两端产生了一个光生电动势V，p区为正，n区为负。

图3 光照情况下pn结区的电流

上式中的电流 I L 称为光生电流，pn 结两端存在的电势差称为开路电压 V OC 。 如果将 pn 结的外电路接通且保持光照不停止，外电路中就有不间断的电流 I 通过，这时 pn 结起电源的作用，这就是光电池的基本原理。 I =I L +I F = 0

这相当于在 pn 结上施加了一个外加正向电压V ，使势垒降低为

，产生了一个正向电流 I F ，但此时外电路开路，即 pn 结没有净电流通过，因此在 pn 结上必定还同时存在一个与 I F 大小相等、方向相反的电流 I L ，使通过 pn 结的净电流为：

D qV qV

3、光电池的伏安特性光电池工作时有三种电流存在：

其中，I L 和 I F 都是流经 pn 结内部，两者方向相反。

流过 pn 结的光生电流 I L

光生电压作用下的 pn 结正向电流 I F

电池外电路中的电流 I

图4 太阳能电池结构示意

在正向电压作用下，pn 结的正向电流为：

()

0F s 1qV k T I I e =-式中的 I s 是反向饱和电流，V 为光生电压。

当外电路接通时，负载电阻 R 上的电流为：

()

0L F L s 1qV

k T I I I I I e =-=--

根据上式求出开路电压，外电路开路时，外电路中的电流等于零，即 ()0L oc s

In 1k T I V q I =+由上式可求出开路电压 V oc ，即

在短路状态，即 V = 0 时，可求出短路电流 I sc ，即

当 V = V oc 时， I = 0 ，所以有：

oc 0L s 1qV k T I I e ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭

图5 太阳能电池的 I –V 特性曲线

影响光电池开路电压 V oc 和短路电流 I sc 大小的因素有两个：其一是光照能够产生大量的光生载流子；其二是能够把产生的光生电子和光生空穴分离，即 n 区 L p 以内的空穴能够扩散到达空间电荷区，并被自建电场扫向 p 区，p 区 L n 以内的电子能够扩散到达空间电荷区，并被自建电场扫向 n 区。 设：pn 结的结面积为A ，则两个扩散区

的体积为：

( L p + L n )A

光生载流子数 = 产生率 ×体积上式表示的是体积 (L n +L p )A 内产生的光生载流子数。由于光的透入深度各不

相同，这里的产生率通常取平均值，即 。

Q 图6 太阳能电池空间电荷区示意

从开路电压V OC 的表达式可以看到， V OC 随光强度的增加而增大，但V OC 最大也只能等于 pn 结的势垒高度V D 。 则： ()

L p n I qQA L L =+所以： 光生载流子数()p n

Q A L L =+（指 从 n 区流向 p 区的电流，与 I F 相反）由于 ∝ 光的强度Q

所以 I L ∝ 光的强度

光生伏特效应最重要的应用之一是太阳能电池。

二、体内光生伏特效应（丹倍效应） 当与光的照射方向平行的样品其厚度 d 小于光的透入深度 δ 时，在样品表面和内部之间会产生电位差。

该效应产生的电动势约为：

伏图7 体内光生伏特效应原理示意.00026k T V q

∆<=

三、光磁电效应

当在引起丹倍效应的样品上沿着与光垂直的方向施加一个磁场时，由丹倍效应引起的扩散电流受到洛仑兹力的作用而产生霍尔电动势，即在垂直于光和磁场的方向产生电动势，把该现象称为光磁电效应。

光磁电效应产生的光生电动势比丹倍效应产生的电动势还要小得多。

图8 光磁电效应原理示意

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