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。 F8sawH7zG+F5Sc1gZhUUAPh1gO0HsUQ1z4i3r99jNfsZG5FWvfu3lsVqMvSbnZG+