2022-2023学年高二物理竞赛课件：光磁效应

光磁效应

光磁效应 1.由于光激发非平衡载流子的扩散，在光照面与背面之间产生的电势差，称为丹倍电势差，有时也称为光扩散电势差。这个效应称为丹倍效应（Dembereffect）

2.如果沿x方向用光照射半导体表面的同时，还在z方向施加磁场，则在y方向的样品两端将产生电势差，这个效应称为光磁效应或光电磁效应。类似于两种载流子的霍尔效应。与霍尔效应的区别：霍尔效应中定向运动是由外加电场引起的，两种载流子运动方向相反，电流方向相同，垂直磁场使两种载流子向同一方向偏转，偏转电流效果是相互减弱；而光磁效应中，定向运动是由扩散引起的，两种载流子扩散方向相同，在垂直磁场作用下，向相反方向偏转，偏转电流效果是相互加强的。在P型硅中存在深、浅两种陷阱，开始时两种陷阱都基本饱和，即陷阱基本上被电子填满，导带中尚有相当数量的非平衡电子。 图中1，2，3三部分分别对应于导带中电子、浅陷阱中电子和深陷阱中电子的衰减。红外淬灭：在激发本征光电导的同时，用适当波长的红外光照射半导体样品，可能导致光电导显著下降，这种现象称为红外淬灭。陷阱效应原因：在无长波长的光照射时，陷阱中的载流子只能依靠热激发回到相应的能带，其几率通常是很小的。用长波长的光照射样品，被陷的载流子可以由光激发脱离陷阱，因而增大了被激发回能带的几率（），大大减小了在陷阱中的平均自由时间（），导致光电导显著下降（(10.101)式）。因此，在相同的本征激发条件下，用自然光激发比用单色光有较小的灵敏度。

能量的光子，照射P－N结面，结较浅，则在结两侧都产生电子－空穴对。非平衡载流子使少子浓度发生很大变化，而多子浓度几乎不变。在内建电场作用下，P区少子电子向N区漂移，N区少子空穴向P区漂移，则在P区形成空穴积累，在N区形成电子积累。形成少子浓度梯度。用适当波长的光照射非均匀半导体，（例如P-N结和金属-半导体接触等），由于势垒区中内建电场的作用，依据外回路电阻的大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。eV机理：驱动力内建电场光生伏特效应：少子行为的作用

在光激发过程中，非平衡载流子使少子浓度发生很大变化，而多子浓度几乎不变。eV若把P－N结两端接上负载，就会有电流通过，在结内形成由N区流向P区的光生电流。（是应用极广的重要效应）

如：太阳能电池（光电池，辐射能量转换器件）：光伏型半导体探测器：若外电路开路，则结两侧的电荷积累将导致P－N结两端形成电势差，相当于在它的两端加上正向电压V，使势垒高度降低，产生正向电流；当正向电流和光生电流相等时，结两端具有稳定的电势差，即光电池的开路电压。1988年，日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。特点：高BS，高

i，低损耗，铁基原材料成本低廉；晶粒尺寸减小，矫顽力降低*目前已经开发或正在开发研究的系统：Fe-Cu-M-Si-B（M为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）Fe-M-C和Fe-M-V（M为Ta等耐热金属）最著名的为Finemet纳米微晶软磁材料，其组成为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，晶粒尺寸约为10nm。*制备方法：非晶晶化法非晶条带，在略高于非晶晶化温度下退火一定时间，使之纳米晶化。d.继续增大正向电压，势垒高度进一步降低，如图d，在结两边能量相同的量子态减少，使n区导带中可能穿过隧道的电子数和p区价带中可能接收穿过隧道的电子的空量子态减少，隧道电流随电压增加减小，出现负阻现象。(对应特性曲线上的点3)e.正向电压增加到Vv时，n区导带底和p区价带顶一样高，如图(e)，这时p区价带和n区导带中没有能量相等的量子态，因此不能产生隧道穿通，隧道电流应该减少到零，(对应于特性曲线点4)。但此时还存在一个谷值电流：比正向扩散电流大，基本具有隧道电流的性质，产生原因：半导体能带边缘向下的延伸；以及形成深能级的杂质和缺陷。f.正向电压继续增加，P-N结势垒高度变得很小，n区导带中的电子可以克服势垒扩散到p区，形成扩散电流，并随电压增加而快速增大。(对应于特性曲线点5)。g.加反向偏压时，p区能带相对与n区能带升高，势垒高度增加，如图(f)，在结两边能量相同的量子态范围内，p区价带中费米能级以下的量子态有电子占据，而n区导带中费米能级以上有空的量子态。则p区价带中的电子可以穿过隧道到n区导带中，产生反向隧道电流。(对应特性曲线点6)，随反向电压增加，p区价带中穿过隧道的电子数增加，则反向电流迅速增加。

所以，隧道结是利用多子隧道效应工作的。由于单位时间内通过P-N结的多子数目起伏很小，所以隧道二极管的噪声很低；