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2005世界物理年科普系列报告会
从爱因斯坦解释光电效应到单光子应用
――纪念伟大的物理学家爱因斯坦解释光电效应100周年

中国科学院院士、中国科学院半导体研究所 郑厚植先生

二、郑厚植院士讲座 3. 爱因斯坦对光电效应的解释

  原子组成固体,特别是晶体的时候发生什么样的变化?因为我实在不太知道高中的同学学了什么,但是我问了一下我的博士生,他拿了一下高中的课本,他说在化学里面学过这个,我说很好。对于原子来讲,它是有原子核跟围绕在它外面进行运动的电子,而且这个电子是在不同的轨道上进行运动的。内层是P轨道,外层是S轨道,这就是我们的单个原子。我们 把单个原子按照一个规律在空间做周期性的、非常紧密的排列,这个时候会发生什么事?由于这时原子跟原子之间靠得很近,因此它的轨道之间就会产生一定的谋和,这种谋和是什么意思呢?比如说S轨道就有一定的机率调到另外一个原子S轨道,这个轨道又可以跳到第三个原子的S轨道,内层P轨道也能够做这样的运动,我们把这样的运动就叫做电子在固体当中的公有化的运动。有了这样的变化,这个时候对一个固的能量状态法变化。对于原子来讲,一个P轨道,一个S轨道,它完全是一个封闭的能量。现在把N原子按照一定的规律在空间排列以后,N的原子的轨道的能量就分开一点了,就不再是一个能极了。同样对P轨道也成了这样一个能带,在半导体当中,是非常典型的,我们常常习惯把填满电子的最高的能带一般称价带,这只是一个名词而已,有时候叫它“满带”,就是全部填满电子的带。最高的没有填电子的带我们叫空带,或者叫导带。它们在价带跟导带之间就是成为一个禁带,就是在这个能量范围里不存在任何能极状态,这就是说当原子组合成固体、半导体以后发生了变化,一般我们把这个叫固体的能带。

  我们在日常生活当中都会说现在有绝缘体、金属、半导体主要的区别。半导体是这样的,在比较低的温度下,最高填满电子的大概是在这儿,上面不填电子的空带是有一个能量间隙在这儿。一般的情况,如果说没有光照的话,这里面全是空的,没有电子。一个物质要导电,必须是有带负电的电子能够移动,这上面没有电子也不能导电。大家会说在这儿有很多的电子,但是很遗憾,任何一个电子在电场当中加速要运动的时候,它的能量一定要发生一点变化,但是在这儿所有的能量状态都被填满了,它动不了,也就等于在一个教室里如果学生挤的满满的,谁也动不了,所以填在满带里面的电子对电导也是没有贡献的。但是金属不一样,它最高填有电子的能带没填满,一半填满了,一般就是填到EF的痕迹,如果对这样的金属,加上一个电场,就会有电流流动,在EF的电子在电场当中运动能量发生一点变化,有空的状态可以接纳它,因此可以导电。

  再回过来提醒大家一下,当时所谓的光电效应就是用一个紫外光照射一个铅金属,这是铅金属最高的填有电子的能带。在我解释这个事情以前来做一个比喻,我们打一个深水井,想把井底的水抽到上面来的时候,一定要加一个水泵,这个水泵一定要提供这样的能量,能够克服从井底的水面到井口的能量,加速度乘上具体的能量,这个时候就显然是不能用水泵了,就用光泵,用具有一定光子能量的光照射它,这个光子的能量一定要大于功函数。这个功函数就是从电子海的水平面一直到真空的自由能极这段距离,只要光子能量大于能量间隙电子,就可以跑出这样一个金属,这就是当时爱因斯坦解释的光电效应。

  我不能妄加评论,我讲的爱因斯坦得诺贝尔奖的故事,实际上狭义相对论和广义相对论比光电效应稍微次一点,就是因为当时没有人理解他的相对论,只好拿这个授予他诺贝尔奖。

  下面我们讲一下从当时爱因斯坦提出的外光电效应,为什么加一个WV?就是光照的金属里面把光真正从金属里面打出来,在非常多的场合以下我们发现没有必要一定要把电子打出固体来,在半导体里面我们这是一个填满的价带,这中这个能量间隙叫禁带的宽度。在半导体光中内光电效应是什么呢?就是我们的如射光子的能量大于禁带的宽度,这个时候就可以在导带里面产生一个带负的电子,同时在填满代带的里面就有一个空穴,原来空的导带里面有电子了,在电场作用之下就会产生电流,价带也不同样如此。这个光照就一下子改变了我们的半导体的导电率,就便的很导电了,这个现象是非常重要的,我们下面会讲,从爱因斯坦的外光电效益到半导体的内光电效应的应用是怎么样的。

  半导体可以采取对半导体掺上一些特殊的元素,可以变成叫N型的半导体,一种叫P型的半导体。N型半导体主要是由电子起作用,P型的半导体,主要是填满带里的正电起作用,一般叫它空穴。把这两个半导体紧密地连接在一起的时候,N电子比较多,有一部分要扩散到P型里,任何电荷总是多的地方往少的地方走。同时,空穴原来P型里比较多,就要跑到N型里。达到平衡的时候,就发现N型带负电,这是能量坐标,用电子磁带是负电荷,所以它的势能是高的,这时在N跟P型半导体的接触面的地方形成了内建的电场。因为这个地方有势能的差,这边是带负电,那边是带正电的,正负电荷之间就存在一个电场。

  如果制造了P、N型以后就很好了,用一个光照过来,光子的能量大于禁带的宽度以后,在导带里产生负电荷电子,在价带里产生了正电和空穴。在内建电场的作用下,正电跑到这儿,空穴跑到那儿。比如太阳能电池,各种各样的光电探测器,基本原理都是从这个地方来的。