光电效应 Photoelectric effect

2022-11-01 09:30:39 浏览:414

定义

与光吸收有关的载流子的发射或激发。

许多类型的光电探测器(例如光电二极管,光电晶体管,光电管和CCD或CMOS图像传感器)的工作原理都基于光电效应。 这实际上有两种完全不同的形式:外部和内部光电效应。

外部光电效应

例如,如果具有足够高光子能量(高于所谓的功函数)的光撞击金属(或半导体)表面,则可能会吸收一些光,并从表面发射电子。 如果将金属部分(称为光电阴极)保持在真空中,并使用吸引这些电子的第二个电极(阳极)施加电场,则可以检测到与入射光强度成比例的光电流。 外部光电效应提供了真空光管的工作原理。 在这里,外部意味着电子是在释放它们的材料之外获得的。

对光电效应的观察有助于量子理论的早期发展。

这种形式的光电效应,在19年末被发现千世纪,在20世纪初受到菲利普·莱纳德,阿尔伯特·爱因斯坦等人的极大关注。 已经观察到,光电效应仅发生在波长低于一定限度的光上,具体取决于材料;对于较长的波长,即使是相当高的光学强度也不会产生这种效应。 此外,Lenard注意到光电子的最大能量(通过所需的停止电位测量)与光强度无关,与预期相反。 相反,最大能量取决于光波长:波长越短,光电子能量越高,而光强度只影响光电子发射的速率。 这些难以与经典电磁理论调和的观察结果导致了光能以小包装的形式传递的想法,这些包装后来被命名为光子。 因此,它们为量子力学和量子光学的早期发展做出了贡献。

光子模型很好地解释了上述观察结果。 只有当光子具有足够高的能量时,它才能触发光电子的发射 - 这个过程需要一定的能量,即结合能加上电子的动能。 更详细的解释涉及具有能带和费米能等特征的固态物理学。

外部光电效应用于真空管光电探测器,特别是光电管和光电倍增管,也用于红外观察器,条纹相机,图像增强器(图像放大器)和图像转换器。 此外,用超短激光脉冲照射的脉冲光电阴极也用于一些粒子加速器。

内部光电效应

内部光电效应不会产生在材料外部可观察到的光电子,而只会将电子激发到更高的水平,即从半导体材料中的价带到导带。 这样做的结果是,光电流通常在反向偏置的p-n结或p-i-n结中检测到。 有关后一种情况的解释,请参阅p–i–n光电二极管的文章。 还有金属 -半导体 - 金属光电探测器,其中使用肖特基结。

内部光电效应在各种类型的半导体光电探测器中得到利用,即光电二极管和光电晶体管。 其前提条件是光子能量大于材料在有源区的带隙能。 虽然熔融石英或其他光学玻璃等典型电介质的带隙能量太大,而且载流子寿命也太短,但各种半导体表现出适当的小带隙能量。 例如,硅基探测器可以在高达大约1.1μm的波长下工作,尽管响应度通常大大超过1μm。 具有更低带隙能量的材料允许在更长波长下进行光检测 - 例如,砷化铟镓(InGaAs)高达1.7μm。

甚至还有用于检测中红外光的材料,例如红外相机。 它们的带隙能量非常小,以至于在室温下已经发生了大量的热激发。 为了避免这种情况,这种探测器需要在低得多的温度下运行,例如使用斯特林冷却器。

基础光学

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