1.2 敏感的公主們

法拉第發現半導體硫化銀的導電性隨溫度上升而增加，而一百多年后的今天，我們把它歸納到半導體的特性之一，即熱敏性。

其實，我們現在知道，像硅這樣的半導體公主們，她們最大的特點就是敏感性。一般情況下，她們不導電，禁止電流通過她們的身體，如同絕緣體。但是，就像法拉第第一次所觀察到的，如果條件改變了，溫度升高了，她們的導電性會增加，便有可能允許電流通過。這也就是為什么我們將她們稱為“半導體”的原因。除了熱敏性之外，半導體的敏感特性還有光敏性、整流性，以及摻雜性。我們在這一節中敘述光敏性。

繼法拉第之后，法國物理學家A.E．貝克勒爾（Alexandre-Edmond Becquerel,1820—1891）發現了光生伏特效應。

貝克勒爾一家四代人中出了五個物理學家，見圖1.2.1。A.E.貝克勒爾是中間一位，其余是：

Antoine César Becquerel（1788—1878）,A.E．貝克勒爾的父親。

Louis Alfred Becquerel（1814—1862）,A.E．貝克勒爾的兄弟。

Henri Becquerel（1852—1908）,A.E．貝克勒爾的兒子。

Jean Becquerel（1878—1953）,A.E．貝克勒爾的孫子。

圖1.2.1 貝克勒爾物理世家

圖1.2.1中的幾個人，除了第二位貝克勒爾去世早，不廣為人知外，其余的都成就不凡。A.E．貝克勒爾的父親曾在拿破侖麾下服役，滑鐵盧戰役之后專攻科學，曾促進了電化學的創立，也是率先研究電發光現象的物理教授；A.E．貝克勒爾的兒子亨利·貝克勒爾，因發現天然放射性現象，與居里夫婦分享了1903年的諾貝爾物理學獎；他的孫子后來也是法國頗負盛名的物理學家。

物理學告訴我們，電和光都是能量的某種存在方式，這兩種能量會互相轉換。電轉換成光的現象在大自然中經常可以看到，比如帶電的大氣放電時產生的閃電。科學家在實驗室里研究放電現象時，經常觀察到的火花和閃光等，也是電能轉換成光能的例子。但是，從光到電的現象就不是那么普遍了。貝克勒爾物理世家電光閃爍，他們不是研究光，就是研究電。當時，A.E．貝克勒爾的父親就是從化學角度來研究電發光現象的。父親研究從“電”到“光”，兒子則進一步地想，光是不是也能產生電呢？果然不出所料，1839年，19歲的A.E．貝克勒爾在他父親的實驗室里，第一次觀察到了這種現象。

A.E．貝克勒爾將氯化銀放在酸性溶液中，用兩片浸入電解質溶液的金屬（鉑）作為電極，見圖1.2.2。貝克勒爾發現，如果有陽光照射時，兩個電極間會產生額外的電壓。這不就是“光”轉換成了“電”嗎？貝克勒爾將此現象稱為光生伏特效應，這是歷史上最早被發現的半導體的第二個敏感特征。

圖1.2.2 光生伏特效應

貝克勒爾發現的是液體中的光生伏特效應，也被稱為貝克勒爾效應。到1883年，亞當斯等人在金屬和硒片上發現了固態光伏效應，并制成了第一個“硒光電池”［2］。

1873年，英國的史密斯同樣使用硒晶體做實驗，發現這種材料在光照下導電性增加，這是半導體又一個與光照有關的特性：光電導效應。從此，對光特別敏感的半導體——“硒”公主登上了歷史舞臺。

從現代物理學的觀點來看，剛才敘述的半導體的兩個特性，光伏效應及光電導效應，與1887年德國物理學家赫茲發現的光電效應（也稱外光電效應），在物理本質上是相關的。我們可把它們都歸類于半導體的光敏性，也可以統稱為光電效應。

外光電效應［3］最早是被德國物理學家赫茲發現的。赫茲用兩個鋅質小球做實驗，當他用光線照射一個小球時，發現有電火花跳過兩個小球之間。如果用藍光或紫外線照射，電火花最明顯。這個現象后來（1905年）被愛因斯坦從量子力學的觀點加以解釋，并使愛因斯坦得到了1921年的諾貝爾物理學獎。

和貝克勒爾家族類似，赫茲一家也有好幾個物理學家（圖1.2.3）。發現光電效應的海因里希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz, 1857—1894）和發現電磁波的赫茲是同一個人。魯道夫·赫茲雖然只活了36歲，但他的兩個發現都舉足輕重：電磁波的發現證明了麥克斯韋電磁理論的正確性，而光電效應的發現對量子理論的創立及發展功不可沒。

海因里希·赫茲的侄子古斯塔夫·路德維希·赫茲（Gustav Ludwig Hertz,1887—1975）也是物理學家。他是量子力學的先驅， 1925年諾貝爾物理學獎獲得者。路德維希·赫茲的兒子卡爾·赫爾穆特·赫茲（Carl Hellmuth Hertz,1920—1990）則發明了醫療用超聲波技術和噴墨打印技術。

赫茲當時發現的是金屬的外光電效應，而半導體也能產生外光電效應。統而言之，光電效應指的是因光照而引起物體電學特性的改變。半導體的光電效應分為光電子發射、光電導效應和光生伏特效應。第一種發生在物體表面，即外光電效應。后兩種發生在物體內部，稱為內光電效應。

圖1.2.3 赫茲—家的三個物理學家

圖1.2.4說明了半導體中幾種光電效應的異同點（注意：在圖中提前使用了尚未介紹的半導體中電子的能帶圖。我們將會在第2章中簡述固體的能帶理論。對此不熟悉的讀者，可在學過能帶論之后，再返回來重新閱讀下面的段落）。

圖1.2.4 半導體的光電效應

半導體材料無光照時，導帶上有很少的自由電子。在光照射情況下，低能量的電子吸收了光子能量，從鍵合狀態過渡到自由狀態。如果光子的能量足夠大，使得電子能夠逸出物質表面而發射出去，這便是被赫茲所觀測到的光電發射效應，或稱外光電效應。如果低能級的電子吸收了光子能量后，并未被發射，而只是被激發躍遷到導帶中，則大大地增加了自由電子的數目，從而增強了物質的導電性。這種現象稱為光電導效應。更進一步，如果被光照射的物質材料不均勻，或由兩種不同的物質層構成，這時，由于兩種物質在光照下產生的導電性能變化不一樣，使得自由電子偏向于離開一種物質而聚集到另一種物質，由此而形成一個電位差，這便是1939年首次被貝克勒爾觀察到的光生伏特效應。