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1.2 敏感的公主们

法拉第发现半导体硫化银的导电性随温度上升而增加,而一百多年后的今天,我们把它归纳到半导体的特性之一,即热敏性。

其实,我们现在知道,像硅这样的半导体公主们,她们最大的特点就是敏感性。一般情况下,她们不导电,禁止电流通过她们的身体,如同绝缘体。但是,就像法拉第第一次所观察到的,如果条件改变了,温度升高了,她们的导电性会增加,便有可能允许电流通过。这也就是为什么我们将她们称为“半导体”的原因。除了热敏性之外,半导体的敏感特性还有光敏性、整流性,以及掺杂性。我们在这一节中叙述光敏性。

继法拉第之后,法国物理学家A.E.贝克勒尔(Alexandre-Edmond Becquerel,1820—1891)发现了光生伏特效应。

贝克勒尔一家四代人中出了五个物理学家,见图1.2.1。A.E.贝克勒尔是中间一位,其余是:

Antoine César Becquerel(1788—1878),A.E.贝克勒尔的父亲。

Louis Alfred Becquerel(1814—1862),A.E.贝克勒尔的兄弟。

Henri Becquerel(1852—1908),A.E.贝克勒尔的儿子。

Jean Becquerel(1878—1953),A.E.贝克勒尔的孙子。

图1.2.1 贝克勒尔物理世家

图1.2.1中的几个人,除了第二位贝克勒尔去世早,不广为人知外,其余的都成就不凡。A.E.贝克勒尔的父亲曾在拿破仑麾下服役,滑铁卢战役之后专攻科学,曾促进了电化学的创立,也是率先研究电发光现象的物理教授;A.E.贝克勒尔的儿子亨利·贝克勒尔,因发现天然放射性现象,与居里夫妇分享了1903年的诺贝尔物理学奖;他的孙子后来也是法国颇负盛名的物理学家。

物理学告诉我们,电和光都是能量的某种存在方式,这两种能量会互相转换。电转换成光的现象在大自然中经常可以看到,比如带电的大气放电时产生的闪电。科学家在实验室里研究放电现象时,经常观察到的火花和闪光等,也是电能转换成光能的例子。但是,从光到电的现象就不是那么普遍了。贝克勒尔物理世家电光闪烁,他们不是研究光,就是研究电。当时,A.E.贝克勒尔的父亲就是从化学角度来研究电发光现象的。父亲研究从“电”到“光”,儿子则进一步地想,光是不是也能产生电呢?果然不出所料,1839年,19岁的A.E.贝克勒尔在他父亲的实验室里,第一次观察到了这种现象。

A.E.贝克勒尔将氯化银放在酸性溶液中,用两片浸入电解质溶液的金属(铂)作为电极,见图1.2.2。贝克勒尔发现,如果有阳光照射时,两个电极间会产生额外的电压。这不就是“光”转换成了“电”吗?贝克勒尔将此现象称为光生伏特效应,这是历史上最早被发现的半导体的第二个敏感特征。

图1.2.2 光生伏特效应

贝克勒尔发现的是液体中的光生伏特效应,也被称为贝克勒尔效应。到1883年,亚当斯等人在金属和硒片上发现了固态光伏效应,并制成了第一个“硒光电池” [2]

1873年,英国的史密斯同样使用硒晶体做实验,发现这种材料在光照下导电性增加,这是半导体又一个与光照有关的特性:光电导效应。从此,对光特别敏感的半导体——“硒”公主登上了历史舞台。

从现代物理学的观点来看,刚才叙述的半导体的两个特性,光伏效应及光电导效应,与1887年德国物理学家赫兹发现的光电效应(也称外光电效应),在物理本质上是相关的。我们可把它们都归类于半导体的光敏性,也可以统称为光电效应。

外光电效应 [3] 最早是被德国物理学家赫兹发现的。赫兹用两个锌质小球做实验,当他用光线照射一个小球时,发现有电火花跳过两个小球之间。如果用蓝光或紫外线照射,电火花最明显。这个现象后来(1905年)被爱因斯坦从量子力学的观点加以解释,并使爱因斯坦得到了1921年的诺贝尔物理学奖。

和贝克勒尔家族类似,赫兹一家也有好几个物理学家(图1.2.3)。发现光电效应的海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857—1894)和发现电磁波的赫兹是同一个人。鲁道夫·赫兹虽然只活了36岁,但他的两个发现都举足轻重:电磁波的发现证明了麦克斯韦电磁理论的正确性,而光电效应的发现对量子理论的创立及发展功不可没。

图1.2.3 赫兹一家的三个物理学家

海因里希·赫兹的侄子古斯塔夫·路德维希·赫兹(Gustav Ludwig Hertz,1887—1975)也是物理学家。他是量子力学的先驱,1925年诺贝尔物理学奖获得者。路德维希·赫兹的儿子卡尔·赫尔穆特·赫兹(Carl Hellmuth Hertz,1920—1990)则发明了医疗用超声波技术和喷墨打印技术。

赫兹当时发现的是金属的外光电效应,而半导体也能产生外光电效应。统而言之,光电效应指的是因光照而引起物体电学特性的改变。半导体的光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。第一种发生在物体表面,即外光电效应。后两种发生在物体内部,称为内光电效应。

图1.2.4说明了半导体中几种光电效应的异同点(注意:在图中提前使用了尚未介绍的半导体中电子的能带图。我们将会在第2章中简述固体的能带理论。对此不熟悉的读者,可在学过能带论之后,再返回来重新阅读下面的段落)。

图1.2.4 半导体的光电效应

半导体材料无光照时,导带上有很少的自由电子。在光照射情况下,低能量的电子吸收了光子能量,从键合状态过渡到自由状态。如果光子的能量足够大,使得电子能够逸出物质表面而发射出去,这便是被赫兹所观测到的光电发射效应,或称外光电效应。如果低能级的电子吸收了光子能量后,并未被发射,而只是被激发跃迁到导带中,则大大地增加了自由电子的数目,从而增强了物质的导电性。这种现象称为光电导效应。更进一步,如果被光照射的物质材料不均匀,或由两种不同的物质层构成,这时,由于两种物质在光照下产生的导电性能变化不一样,使得自由电子偏向于离开一种物质而聚集到另一种物质,由此而形成一个电位差,这便是1939年首次被贝克勒尔观察到的光生伏特效应。 WVjSqnRCM0+uXLz5G4i1UFA4F3X/sGM9D5+rESI1SMWsxypkMXYLxkWjNR7AQXjl

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