内外光电效应

光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化,这类光致电变的现象统称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。

一、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hvh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。

根据能量守恒定理

E=hv-W

该方程称为爱因斯坦光电效应方程。

二、内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。

1 光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

2 光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。

①垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hf≧Eg，使价带中的电子跃迁到导

带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴

偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。

②侧向光电效应（丹培效应）当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生

电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起

载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负

电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。

③光电磁效应半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场

的半导体两端面之间产生电势的现象称为光电磁效应，可视之为光扩散电流的

霍尔效应。④贝克勒耳效应是指液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液

中的两个同样电极中的一个电极时，在两个电极间产生电势的现象称为贝克勒

耳效应。感光电池的工作原理基于此效应。

三、应用

1制造光电倍增管

光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式：

光子能量 = 移出一个电子所需的能量+ 被发射的电子的动能代数形式： hf=φ

+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s， f是

入射光子的频率，φ是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0

是光电效应发生的阀值频率，Em是被射出的电子的最大动能， m是被发射电

子的静止质量， v是被发射电子的速度，注：如果光子的能量（hf）不大于功

函数（φ），就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。这个算式与观察不

符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效

率，某些能量变成热能或辐射而失去了。

2光控制电器

利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等，右上图是光控继电器的示意图，它的工作原理是：当光照

在光电管上时，光电管电路中产生电光流，经过放大器放大，使电磁铁M磁

化，而把衔铁N吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中没有电流，电磁

铁M就自动控制，利用光电效应还可测量一些转动物体的转速。

3光电倍增管

利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电光度计等，这里介绍一下光电倍增管。这种管子可以测量非常微弱的

光。右下图是光电倍增管的大致结构，它的管内除有一个阴极K和一个阳极A

外，还有若干个倍增电极K1.K2.K3.K4.K5等。使用时不但要在阴极和阳极之间

加上电压，各倍增电极也要加上电压，使阴极电势最低，各个倍增电极的电势

依次升高，阳极电势最高，这样，相邻两个电极之间都有加速电场，当阴极受

到光的照射时，就发射光电子，并在加速电场的作用下，以较大的动能撞击到

第一个倍增电极上，光电子能从这个倍增电极上激发出较多的电子，这些电子

在电场的作用下，又撞击到第二个倍增电极上，从而激发出更多的电子，这样，

激发出的电子数不断增加，最后后阳极收集到的电子数将比最初从阴极发射的

电子数增加了很多倍（一般为105～108倍）。因而，这种管子只要受到很微弱

的光照，就能产生很大电流，它在工程、天文、军事等方面都有重要的作用。

四、区别外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。