光电效应

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[外文]：photoelectriceffect物体内部的导电电子因吸收辐射而发生运动状态的改变，从而导致电学特性改变的现象。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电子发射物体受光照射时，其中的电子吸收足够的光能而从表面发射出来。这一现象是H.R.赫兹于1887年发现的，1905年A.爱因斯坦用量子论予以正确的解释。光的能量不是连续的，它只能以一定的分量起作用，这个分量称为量子（也称光子）。每个量子的能量等于hv。其中h为普朗克常数;v为辐射频率。当频率为v的光照射固体时，爱因斯坦理论认为发射电子的能量E为式中mv2/2为光电子的动能；p为由媒质所确定的常数。此式从紫外直到红外波段范围都取得了验证。光的频率或波长决定电子的最大动能。增加光强只增加光电子数，其动能不会增加，并且只有当量子的能量hv超过一个阈值p时才有电子反射出来。一个电子离开发射面时，所失去的能量也就是p。p＝qΦ。其中Φ称为所讨论材料的功函数，取决于发射表面的材料；q为电子电荷。因此，要得到长波响应的光电子发射效应，光阴极（电子发射表面）必须具有低的功函数。光电导效应辐射照射物体时，由于物体内部的导电电子的运动状态的改变而发生电导率改变的现象。1873年，有人在实验电路中发现硒由于光照而电阻减小的现象。除高电导率的金属外，大多数的半导体和绝缘体都存在这种效应。在半导体中，电子的运动状态按能量可分为导带和价带。导带中的电子能在整个物体中自由运动，传导电流。价带中的电子虽然也在运动，但整个说来，不能传导电流。但是，如果某一运动状态缺少电子，则这个缺少电子的状态称之为空穴，它能在整个物体中自由运动，好象是一个带正电荷的粒子在传导电流。因而在半导体中，只有导带中的电子和价带中的空穴能传导电流，称为载流子。当辐射照射半导体时，只要它的光子能量足够大，就能把价带中的电子激发到导带。这样，导带中就增加自由电子，价带增加空穴，引起电导率的增加，增加的部分就称为光电导。也可能有这样的情况：入射的光子把杂质中的电子激发到导带中去成为自由电子；或者把价带中的电子激发到杂质上去，使价带中增加空穴。这两种过程都产生光电导。不论哪一种光电导，都有一个激活过程。光子的能量hv＝hc/λ（c为光速，λ为波长），必须大于产生载流子所需的能量墹E，即hc/λ≥墹E，墹E取决于半导体能带结构或杂质的特性。因此，对于任一个半导体，光电导的产生有一定的波长范围，只有当λ≤hc/墹E时才能产生光电导。把h、c的值代入，用适当的单位可写成λ(μm)＝1.24/墹E　　(eV)λ又称为光电导的长波限。光电导的另一个重要因素是载流子的寿命。电子或空穴在传导电流的过程中，可能碰到一些杂质或符号相反的载流子，由于复合而消失。载流子只有在它们产生之后和消失之前这段时间内能够传导电流。这段时间的平均值称为载流子寿命。其值越大，光电导就越大。不同的半导体，甚至同一品种而其制备工艺不同的半导体，其中载流子寿命之值可以相差很大。光生伏打效应半导体PN结受辐射照射时，结的两侧产生电势差的现象。1839年，法国物理学家A.-E.贝克勒耳在浸没在电解液中的两片电极间发现了这种效应。1887年，有人又在硒和金属接触面观察到这种效应。20世纪50年代末期，半导体物理学的发展使这一效应得到充分的研究和应用。在一块半导体中，制造出以电子导电的N型和以空穴导电的P型两个相连接的区，即所谓PN结。P区与N区的交界处有一势垒存在，那里有相当强的内电场。当具有足够能量的入射光子在势垒附近激发出自由电子-空穴对时，势垒的电场使电子-空穴对分开，电子移向N型区，空穴进入P型区。N区就带负电，而P区带正电。两区之间就有电势差，称为光生电动势或光生伏打，如果用导线把两端连接起来，电路中就有电流通过。要获得大的光生伏打效应，势垒处的电场要大，光生载流子的产生要尽可能靠近势垒。或者说，光生载流子的寿命要足够长，在它产生之后有足够的时间通过扩散运动进入势垒区后被内电场分开，对光生电压作出贡献。光生伏打效应与光电导效应都能用来制作辐射探测器。两者相比，前者的响应时间较短。光电效应是电视摄像机摄像管、照相光度计、望远镜像增强器、太阳电池和其他光电器件的工作基础。光电子发射只能用于紫外、可见光或近红外区。根据光电导效应和光生伏打效应，可能制成响应各种红外波段乃至短毫米波的探测器。