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在图2.3中：当光束照射到半导体上面时，则在半导体内部产生大量的处于非平衡状态的电子-空穴对，其中的光生非平衡少数载流子（即N?区中的非平衡空穴和p?区中的非平衡电子）可以被内建电场Ei牵引到对方区域，然后在p-n结中形成光生电场Eph，当接通外电路，即可流出电流，有电能输出。
2.3光电效应实验
2.3.1 实验装置
光电效应的试验装置有许多，图2.4是研究光电效应实验中一个典型的装置示意图。光电阴极K和阳极A密封于高真空容器内，容器上部开一个石英玻璃小窗（石英即水晶，能透过紫外线），从而构成一个光电管。光束经小窗进入光电管并照射在光阴极K上，逸出的光电子经电场加速后，向阳极A运动而形成光电流。用安培表和伏特表分别测量光电管产生的光电流强度I和加速电压Ｖ的大小。
Ｖ K 光束 光电子 A Ａ
图2.4光电效应实验装置
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2.3.2 实验规律
1、第一定律，根据实验我们可以得出相关的伏安特性曲线。从伏安特性曲线得出光电流和光强度的关系：对于给定强度的单色光，加速电压V越大，光电流I强度越大；减小加速电压V，则光电流I随之减小；加速电压V等于0时，光电流I一般并不等于零。只有当两电极反向且反向电压达到一定值V0，时光电流I才等于0；当V增大到一定值时，光电流达到饱和值Im，改变入射光强度，则饱和电流Im的大小随之改变。上述结果表明，单位时间内自金属表面逸出的光电子数目（光电流强度）与入射光强度成正比，称为光电效应第一定律。
2、截止电压和截止频率，加速电压等于0时光电流不等于0，表明从阴极逸出的光电子具有一定的初动能，反向电压等于V0，光电流等于0，进一步表明光电子的最大初动能被全部用于克服反向电压而做功。若以v0表示与光电子最大初动能对应的最大初速度，则有
12mv0?eV0 （2.9） 2式中m表示电子质量，e表示电子电荷。由于这个反向电压V0对光电子起截止作用，故称为截止电压。进一步的实验表明，截止电压V0与入射光的频率v具有如下线性关系：
V0?Bv?A0 （2.10） 式中B为与金属材料性质无关的普适常数，A0为决定于金属材料性质的常数。利用（2.9）和（2.10）式可以得到：
12mv0?eBv?eA0 （2.11） 2上式表明，光电子的初动能与入射光强大小无关。只随入射光的频率做线性变化，
并且当入射光频率增大时，光电子的初动能也随之增大（称为第二定律）。当v0?0时，对应的入射光频率vmin?A0B。要使受光照的金属表面能够有光子逸出，入射光的频
2率就必须满足v?A0B?vmin，以使光电子具有初动能mv0?0。这个是光电子初动能等于0的最小入射光频率vmin反映了入射光的红限，称光电效应的截止频率。当入射光的频率v小于截止频率vmin时，无论光强有多大，电子都不会逸出金属表面（称为第三定律）。
3、弛豫时间，当入射光照射到光阴极上时，无论光强度大小如何，几乎在开始照射的同时就产生了光电子，弛豫时间最多不超过10?9s[2]。
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2.4爱因斯坦的光量子说
2.4.1光电方程
光电效应的现象在经典理论无法解析的时候，爱因斯坦受普朗克量子假说启发于1905年提出如下假设：当光束在和物质相互作用时，其能流并不像波动理论所想象的那样，是连续分布的，而是集中在一些叫做光子（photon）[或光量子（lightquantum）]的粒子上。但这种粒子仍保持这频率（及波长）的概念，光子的能量?正比于其频率v[3]。 根据爱因斯坦光量子假说，光束实际上是一种以光速运动这的粒子流。这些粒子被称为光量子。每一个频率为v的光量子有能量：
式中h为普朗克常数。光的能流密度大小S决定于单位时间通过单位面积的光子数N，即
S?Nhv （2.13）
Ep?hv（2.12）
同时，光子也具有质量和动量。根据相对论，由于光子以光速运动，光子的静质量等 于0，其动质量及动量大小分别为
hvc2 （2.14） hvhpp??c? （2.15） mp?入射光子与金属中的自由电子相互作用，使每个受作用的电子从入射中获得一个光子
的能量hv。根据能量守恒定律，电子所吸引的光子能量的一部分用于克服金属的束缚，
2mv0即消耗于逸出功A，另一部分则转化为电子的初动能。因此有
2hv?12mv0?A?eV0?A（2.16）2
此式就是爱因斯坦光电（效应）方程。
2.4.2光电效应的量子解释
利用波动理论解释有关的光电效应现象时存在着许多难以解释的问题，如：1、按照光的电磁理论，当金属受到光束照射时，其中电子作受迫振动，直到电子的振幅足够大时脱离金属而逸出。电子每单位时间能吸收的能量应与光强I成正比。但是实验证明V0与光强无关，这个无法解析。2、按照波动理论，不论入射光的频率v多少，只 要光强I足够大，总可以使电子吸收足够的能量hv超过A，从而产生光电效应。但实
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验表明，光频v<红限v0时，无论光强多大，也没有发生光电效应，这也无法解析。3、经典电磁理论认为光强大时电子能量积累的时间短，光强小时，能量积累的时间长，而实验表明发生光电效应的时间是不变的。
以上这些问题直到爱因斯坦提出光量子假设后才使得光电效应得到完满的量子解析。其解释如下：
1、按照光量子假设，逸出金属表面的光电子数目与入射光子数目成正比，即饱和光电流与入射光子数目成正比，入射光子数目与入射光强度成正比，因此饱和电流与入射光强度成正比。
2、不同的金属材料，其电子的逸出功A不同，根据爱因斯坦光电方程知，光电子的初动能与逸出功A和光子的频率v有关，逸出功一定时，光电子的初动能与光子的频率成正比。
3、电子每次只能够吸收一个光子的能量，如果光子的频率太低，以致于其能量小于逸出功（hv
Ah时,才能够发生光电效应。
4、由于一个电子每次只能吸收一个光子的全部能量，因此，光电效应发生并不需
2.5提高光电效应的途径
提高光电效应即增大物体中电子的溢出数目或几率，光电效应的提高途径研究不仅对改进光电传感器灵敏度具有重大意义，也对光伏电池发展具有推动作用。从爱因斯坦光电方程我们可以看出，提高光电效应的效率，有两个途径，一、提高光子的频率v，二、降低金属对电子束缚的能量A。 1、降低逸出功
表2.1 几种金属的溢出功[4]
元素 溢出功（eV）
在自然界中，每种金属都具有各自的电子逸出功，表2.1是几种金属逸出功：不同的金属所产生的光电效应条件不同，其光电效应的转换效率也一样。目前在光电效应
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Na K Cs Ba Be W Au 2.28 2.25 1.94 2.51 3.90 4.52 4.80 湖南工业大学本科毕业论文
的应用器件中，主要是对光电材料的研究。降低电子的逸出功方法，即选着逸出功 较小的材料，让低频率的光也能发生光电效应，提高光电转换的效率。通常可以通过改变材料的结构，使得材料具有某种新的特性，也可以通过在材料中加入某些元素，改变其性能，达到降低电子的逸出功。
2、提高光子的频率
通过与某些材料的作用，使得频率较低的光子得到增益，变成频率较高的光子，提高光子的能量，进而提高光的能量，达到提高光电效率的目的。具体来说是通过原子能电子的受激作用来提高光子的频率。这种方法不受光子频率的影响，能够使入射的光全部发生光电效应，同时受到材料的限制较低，不必去寻找新材料，就直接取现成材料作为光电反应材料就可以。其关键技术在于选择选取增益材料，但和对整个实验装置的设计，这相对而言就较容易实现。相反降低电子的逸出功的途径，需要在材料方面进行研究，由于固体材料的性质一般都比较稳定，改变其逸出功就比较复杂，得通过材料成型技术生成具有新的性质的样品，还需要对样品进行实验的测定，操作起来比较繁琐；或者是寻找具有新特性的新材料。
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