光電效應(yīng)概述
光照射到某些物質(zhì)上,引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化,也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。這一現(xiàn)象是1887年赫茲在實(shí)驗(yàn)研究麥克斯韋電磁理論時偶然發(fā)現(xiàn)的。1888年,德國物理學(xué)家霍爾瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)證實(shí)是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)荷電體的緣故。1899年,J·J·湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)該荷電體與陰極射線一樣是電子流。1899—1902年間,勒納德(P·Lenard)對光電效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并命名為光電效應(yīng)。1905年,愛因斯坦在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文中,用光量子理論對光電效應(yīng)進(jìn)行了全面的解釋。1916年,美國科學(xué)家密立根通過精密的定量實(shí)驗(yàn)證明了愛因斯坦的理論解釋,從而也證明了光量子理論。
內(nèi)光電效應(yīng)
當(dāng)光照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)(光伏效應(yīng))。
1 光電導(dǎo)效應(yīng)
在光線作用下,電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài),而引起材料電導(dǎo)率的變化。
當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時,若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料,且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去,使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。
基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。
2 光生伏特效應(yīng)
在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏
二極管、三極管。
①勢壘效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng))
光照射PN結(jié)時,若h?≧Eg,使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,而產(chǎn)生電子空穴對,在阻擋層內(nèi)電場的作用下,電子偏向N區(qū)外側(cè),空穴偏向P區(qū)外側(cè),使P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電,形成光生電動勢。
②側(cè)向光電效應(yīng)(丹培效應(yīng))
當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時,光照部分產(chǎn)生電子空穴對,載流子濃度比未受光照部分的大,出現(xiàn)了載流子濃度梯度,引起載流子擴(kuò)散,如果電子比空穴擴(kuò)散得快,導(dǎo)致光照部分帶正電,未照部分帶負(fù)電,從而產(chǎn)生電動勢,即為側(cè)向光電效應(yīng)。
③光電磁效應(yīng)
半導(dǎo)體受強(qiáng)光照射并在光照垂直方向外加磁場時,垂直于光和磁場的半導(dǎo)體兩端面之間產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為光電磁效應(yīng),可視之為光擴(kuò)散電流的霍爾效應(yīng)。
④貝克勒耳效應(yīng)
是指液體中的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射浸在電解液中的兩個同樣電極中的一個電極時,在兩個電極間產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為貝克勒耳效應(yīng)。感光電池的工作原理基于此效應(yīng)。
3 光子牽引效應(yīng)
當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時,光子把動量傳遞給自由載流子,自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運(yùn)動。結(jié)果,在開路的情況下,半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場,它阻止載流子的運(yùn)動。這個現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。
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