[科普中國]-丹倍效應(yīng)

由于光生非平衡載流子擴(kuò)散速度的差異，直接引起了光照方向的電場和電位差，這種效應(yīng)于1919年被觀測到，1931年由丹倍闡明，被稱為丹倍效應(yīng)。丹倍電位差較小，易被其它光生伏特效應(yīng)掩蓋。1

簡介如下圖所示，用光照射厚度為d的半導(dǎo)體樣品表面。假設(shè)吸收系數(shù)很大，光的穿透深度遠(yuǎn)小于樣品厚度，則光在表面薄層內(nèi)被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對（Δn=Δp）。濃度梯度的存在，導(dǎo)致電子和空穴都沿x方向擴(kuò)散，而它們引起的擴(kuò)散電流方向相反。由于Dn>Dp，電子擴(kuò)散的快?？偟臄U(kuò)散電流沿負(fù)z方向。在開路情況下。這將引起電荷積累，使樣品的光照面帶正電。形成沿z方向的電場。這個電場引起的漂移電流與擴(kuò)散電流的方向相反。這說明，在光照后。很快就會達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。在各處形成的電場所引起的漂移電流恰好和擴(kuò)散電流相抵消。由于光激發(fā)非平衡載流子的擴(kuò)散，在光照面和背面之間產(chǎn)生的電勢差，稱為丹倍電勢差，有時也稱為光擴(kuò)散電勢差。這個效應(yīng)稱為丹倍效應(yīng)（Dember effect）。2

丹倍電壓的計(jì)算丹倍效應(yīng)裝置的示意圖見下圖。光電導(dǎo)材料的兩邊各設(shè)置一個電極，左邊的電極是透明的，使由左方來的光能夠射入光電導(dǎo)體。

首先假定，光生載流子的濃度在整個樣品中都很高，足以保證出現(xiàn)“雙極性”電子一空穴流，而且熱釋載流子濃度和光生載流子濃度相比是很小的，即無光照時可把材料看成絕緣體。因此可以認(rèn)為，在x方向的任一位置上，n和p相等（n、p為電子和空穴的密度），而且dn/dx和dp/dx也相等。使載流子保持在一起的丹倍電場即內(nèi)建電場為：

式中，Dn、Dp分別表示電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù),k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子所帶電荷。

進(jìn)一步假定入射光的穿透深度很淺，激發(fā)僅發(fā)生在透明電極附近的表面。則：

其中，La稱為雙極性擴(kuò)散長度。把此式對x求導(dǎo)數(shù)，得：

由此關(guān)系可把丹倍場強(qiáng)寫成:

因此丹倍電壓：

由此可見，絕緣光電導(dǎo)體受強(qiáng)光照射時，丹倍電壓與載流子的濃度無關(guān)，因而與光照強(qiáng)度無關(guān)。這個光生電動勢的符號依賴于擴(kuò)散系數(shù)之差，因此從這個電動勢的正負(fù)性可直接指出哪種載流子的擴(kuò)散系數(shù)大些。若Dn和Dp的數(shù)值已在其他測量中得到，并用此法測得在強(qiáng)光照下的丹倍電壓VD，利用上式就能得到雙極性擴(kuò)散長度La。

丹倍電壓很難準(zhǔn)確測量，一般只用于定性研究。這是因?yàn)殡娮右豢昭▽χ患ぐl(fā)產(chǎn)生在光照表面附近，此層內(nèi)存在著一定量的空間電荷，它能對測量值VD產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的干擾。此外，在表面層內(nèi)存在的邊界勢壘，也能產(chǎn)生光生電動勢。要消除這些影響幾乎是不可能的。3

丹倍效應(yīng)的應(yīng)用當(dāng)光均勻照射在表面，光生電位差出現(xiàn)在光照面與對面之間，若光不均勻照射，如一個光點(diǎn)照射在樣品表面上，光生載流子向光點(diǎn)周圍擴(kuò)散，在光點(diǎn)側(cè)向也會產(chǎn)生丹倍電位差。

如下圖，A、B是兩個電接點(diǎn)，當(dāng)細(xì)光束正好落在樣品正中0點(diǎn)，則A、B間電位差為零；若光束偏離正中0點(diǎn)距離x，則會出現(xiàn)一個電位差VAB。VAB可正亦可負(fù)，取決于光束相對0點(diǎn)向哪一邊偏離。在樣品厚度d和A、B距離及光強(qiáng)一定時，A、B間的丹倍電勢差是x的函數(shù)VAB（x）。依上圖，如果在y方向也引出兩個電接點(diǎn)C、D，則可以測得一個電位差VCD（y），它是坐標(biāo)y的函數(shù)。通過測定這兩個電位差，便可確定光點(diǎn)的位置，因此利用側(cè)向丹倍效應(yīng)可以制作成很有用的二維定位器件。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學(xué)