湖南工业大学本科毕业论文
1.2光电效应的应用概况
如今光电效应的应用已遍布社会的多个领域。直接的应用主要体现在利用光电效
应制作的各种光电子器件。利用外光电效应制做的电子器件有真空光电管和充气光电管。它们曾在自动控制和检测中显露辉煌，虽然现代多为小巧的半导体光电二极管和三极管所取代，但由真空二极管衍生出来的光电倍增管（PMT）却始终是将弱光信号转变成电信号不可或缺的传感器，广泛使用在众多高新探测技术中。光电导效应的应用主要体现在光电导材料的应用上。光电导材料是一种灵敏、快速的光电器件。通过它,能灵敏、快速地将接受到的光信号转换成对应的电信号,广泛地应用于国民经济、军事、科学技术等各个部门和社会生活的方方面面,特别是现代高新技术之中。基于光电导效应原理的探测器有光电导探测器，而且光电导探测器可与光纤技术相结合而构成光纤探测器，光纤探测器与传统探测器相比,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻等一系列优点。光伏特效应的应用主要体现在光伏电池上。如今化石燃料存量日渐减少，并且燃烧化石燃料存在污染等不利影响，相反太阳能储量丰富且基本无污染等副作用，而光伏电池正是将太阳能转化成可用能量的有效手段，在能源日益缺乏未来光伏电池必有更大的发展空间。
1.3本文主要工作内容
本文对光电效应的基本概念、基本原理以及光电效应的具体应用进行了研究和讨论，其主要工作如下：
第一章,讲述了光电效应的发展历史和光电效应在现代社会中应用的概况。 第二章,首先介绍了与光电效应有关的光学理论知识，为讨论光电效应做准备。接着分析了研究光电效应原理，讨论了光电方程，从量子层面上解释光电效应，并探讨提高光电效应的方法。
第三章,讨论光电效应在社会中的应用情况。
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第2章 光电效应
2.1与光电效应相关的基础知识
2.1.1光的产生机制
根据原子的核式模型理论，原子是由一个带正电荷的原子核和一个或若干个负电荷的电子组成，原子核所带的正电量与各个电子所带的负电量之和相等，整个原子成电中性。电子总是围绕着原子核不停的运动，电子分别分布于不同的能级，有着自己的运动状态和能量，不同能级的电子间在不同的条件下，会发生跃迁，发生跃迁的电子会伴随着运动状态和能量的改变，同时会向外辐射能量，如果发生跃迁的两个能级之间能量相差较小，则辐射的能量是以热的形式放出；如果两个能级之间能量较大，则辐射的能量是以光子的形式放出，激光的产生就是后一种情况。 图2.1是能级跃迁图，箭头表示能级之间发生跃迁。
5 4 E2E111 10 9 8 7 6 3 2 1 图2.1 能级跃迁
E0
其中E0为基态能级，其它能级E1、E2、E3按能量从低到高排列，能级越高距离原子核越远。按照爱因斯坦理论，能级之间的跃迁有两种方式：自发和受激辐射。在自发辐射的过程中，电子只能从高能级向低能级进行跃迁，只发生1、2、3、4、5的跃迁，在发生跃迁的同时高能级的电子会辐射一部份能量达到低能级，辐射的能量可以用以下公式表示：
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hv?Em?En， (Em?En,m?n)
(2.1)
取m=1、2、3 ，n=0、1、2代入到上式即可以得到各能级之间发上跃迁时辐射出来的能量hv。在受激辐射发生跃迁过程中，图中所有的跃迁都有可能出现，其跃迁的方式有两种，一种是在外场频率为v能量子（如光子）的作用下，电子吸收能量hv后由低能级向高能级跃迁，并向外辐射频率为v0的能量，可以用以下公式表示：
hv0?(hv?En)?Em， (Em?En,m?n) (2.2)
其中m= 1、2、3 ，n=0、1、2代入上式即可以得到相应能级之间辐射出来的能量。
另一种是在外场频率为v能量子（如光子）的作用下，电子由高能级向低能级跃迁，并向外辐射频率为v0的能量，其关系为：
hv0?(hv?Em)?En， (Em?En,m?n) (2.3)
能级跃迁辐射出来的能量会以热量或光两种形式放出。以光的形式放出出来的能量，会根据能量的大小辐射出频率不一样的光，即光波长不一样的光，如太阳光就是不同频率的光的集合。
2.1.2 光的波粒二象性
光的波粒二象性表明，光具有波动性质，被认为是一种波长很短的电磁波；同时光又具有量子性质，被认为是一种做高速运动的光子流[2]。其实光波与光子是对立统一的。作为波动，光具有频率v和波长?；作为粒子，光又具有能量E和动量p。实际上波动和粒子之间也存在着共性—都具有速度和能量。按照爱因斯坦假说，一个光子的能量Ep和动量pp可以用波动性参数分别表示为：
(2.4) Ep?hv
hvhp?? (2.5) pc?上式表明，光的波动性与粒子性具有某种内在的联系，这个联系的纽带就是普朗克常数h。
实际上，按照爱因斯坦的相对论质能关系，认为光子是具有动质量的，可以将光子在真空中的能量Ep和动量pp分别表示为
Ep?mpc2 (2.6)
pp?mpc (2.7) 式中mp表示光子的质量。将式（2.6）或（2.7）与式（2.4）或（2.5）联系起来，
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可得
h mp?2v (2.8)
c显然，如果我们将质量看成粒子性的主要象征，频率看成是波动性的主要象征，则联系光的波动性和粒子性的重要角色就是普朗克常数h和真空中的光速c。不过要说明的是，与实物粒子不同，根据相对论，光子的静止质量等于0.因此，这里的mp表示光子的动质量。
由上面的讨论可以得出如下结论：光是客观世界中的一种特殊客体，这种客体，同时具有波粒二象性。一般地，研究光在空间的传播行为以及相关问题时，其波动特性占主导地位，可以说光是一种电磁波动，并且可以用经典的电磁理论来解决所有有关的光学问题；研究光的发射以及光与物质相互作用等问题时，其粒子特性占主导地位，又可以说光是一种粒子—光子，此时需要用量子理论来解决相关的光学问题。此外还有一些光学现象，既可以用经典的电磁理论加以解析，又可以用量子理论加以解析，这就要看哪一种方法更简便或更严格。
2.2、光电效应的概念
光电效应现象是指某些材料中的电子在的光场的作用下变成自由电子而从材料表面溢出的现象。根据自由电子形成的特点可分为外光电效应和内光电效应。
2.2.1外光电效应
外光电效应也称光电发射效应。它是指物体（如金属）表面上受光照射有电子逸出的现象。金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，会使电子从材料表面逸出。一般来说光电发射大致可分三个过程：1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出，如图2.2所示。
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电子 光子hv 电子动能 1mv2?hv?A 2金属表面 金属材料 图2.2外光电效应
在图2.2中：带有能量hv的光子照射到金属表面的时候，金属表面的电子克服原
1子核的束缚，脱离金属表面并且带有mv2?hv?A的动能。
22.2.2内光电效应
所谓内光电效应是指某些晶体或半导体材料内的束缚电子受光的激发而成为自由电子，并在材料内部形成导电的载流子的现象（见图2.3）。若这些载流子引起材料的电导率显著变化，则称为光电导效应；若这些载流子的运动造成电荷积累，使得材料的某两个端面之间产生一定的电位差，则称为光伏特效应，受光的作用而获得的自由的电子称为光电子，光电子或光生载流子在电场的作用下的定向流动称为光电流。
空穴 电子 光束 上电极 内建电场Ei p? N?p-n结 Eph 图2.3内光电效应 下电极
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