光生伏特效应

定义与物理本质

光生伏特效应是指光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能直接变为电能的一种效应。光照在半导体PN结或金属-半导体接触面上时，在PN结或金属-半导体接触面的两侧会产生光生电动势，这是因为PN结或金属-半导体接触面因材料不同质或不均匀而存在内建电场，半导体受光照激发产生的电子或空穴会在内建电场的作用下向相反方向移动和积聚，从而产生电位差。

光生载流子的产生与分离

当入射光照射在PN结上时，若光子能量 $h{\nu }_0$ 大于半导体材料的禁带宽度 $E_g$，则在PN结内附近激发出电子-空穴对。PN结内电场的方向由N区指向P区。在该内电场作用下，N型区的光生空穴被拉向P型区，P型区的光生电子被拉向N型区，结果使P型区带正电，N型区带负电，这样PN结就产生了电位差。若将PN结两端用导线连接起来，电路中就有电流流过，电流方向由P型区流经外电路至N型区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。

零外偏压发电与光强测量

光电池实质上是一个电压源，是利用光生伏特效应把光能直接转换成电能的光电器件，由于它广泛用于把太阳能直接转变成电能，因此也称太阳能电池。光电池在有光线作用下实质上是电源，电路中有该器件时不再需要外加电源。光电池的核心是一个大面积的PN结。在零偏压条件下，光电池可直接对外电路供电，实现光能到电能的转换。

对于光敏二极管，在零偏压时仍有光电流输出，这是因为光敏二极管存在光生伏特效应。光敏二极管在反向偏置下工作时，无光照时处于截止状态，只有微小的反向电流即暗电流；当受到光照射后，光子在半导体内被吸收，产生光生电子-空穴对，在结电场作用下，空穴向P型区移动，电子向N型区移动，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。光照强度越大，光电流越大；在固定光谱、固定反向偏置且处于线性工作区的条件下，光生载流子生成率与光强成正比，收集效率近似不变，因此反向电流中的光电流分量基本与光强成正比。

光敏晶体管是光敏二极管和晶体管放大器一体化的结果，其光电转换过程与一般光敏二极管相同，在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大。光敏晶体管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极的电流都为零，说明光敏晶体管必须在一定的偏置电压作用下才能工作，偏置电压要保证光敏晶体管的发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。

符号、单位与条件

光生电动势的符号通常用 $V_{ph}$ 或 $E_{ph}$ 表示，单位为伏特（V）。光电流的符号通常用 $I_{ph}$ 表示，单位为安培（A）。光子能量 $h{\nu }_0$ 中，$h$ 为普朗克常数，${\nu }_0$ 为入射光频率，单位为赫兹（Hz）。禁带宽度 $E_g$ 的单位为电子伏特（eV）或焦耳（J）。产生光生伏特效应的条件：光子能量 $h{\nu }_0$ 必须大于半导体材料的禁带宽度 $E_g$；器件必须具有内建电场，如PN结或金属-半导体接触面。

适用范围

光生伏特效应主要发生于半导体的PN结或金属-半导体接触面。基于光生伏特效应的光电器件典型的有光电池；此外，光敏二极管、光敏晶体管也是基于光生伏特效应的光电器件。光电池用于把光能直接转换成电能，如太阳能电池；光敏二极管和光敏晶体管用于将光信号转换为电信号，其中光敏二极管在零偏压时仍有光电流输出，而光敏晶体管必须在一定的偏置电压下才能工作。