关于固体中的光电效应介绍

[拼音]：guti zhong de guangdian xiaoying

[外文]：photo-electric effect in solids

光束照射固体时，进入固体内部的光子如果直接与其中的电子起作用，会改变固体的电学性质，这类现象统称为固体的光电现象。这里要强调“直接”两字，如果光子不是直接与电子起作用，譬如说，是与固体点阵起作用，引起固体的温度升高，导致其电导改变，这一现象就不属于光电效应。

固体的光电效应有许多种：

固体受光照而改变其电导率，是最早发现的光电现象（W.史密斯，1873）。半导体和绝缘体都有这种效应（见半导体的光电导）。

固体受光照而向体外发射电子的现象。它是H.R.赫兹1887年在金属上发现的。根据光电子发射的研究，发展了有实用价值的光电管。其基本结构是:在抽空的玻璃管的一壁上蒸镀一层发射电子的材料，称为光阴极。再在它的前面安装一网状阴极。当阴极施加正电压，光束照射到光阴极时，从其中发射出来的电子就趋向阳极，形成光电流。测量光电流的大小就反映出入射光的强弱。评价光电管的品质的参量主要有两个：

（1）引起光电子发射的入射光的最长波长，称为长波限。

（2）每个入射光子所能引起的发射电子的数目，称为量子产额。工业生产的光电管大都用铯的化合物作光阴极。长波限在0.60～0.65微米，经过复杂的制作工艺，量子产额可略略超过10％。另有一种光阴极称为S-I光阴极，长波限可达1.1微米，但这时的量子效率已低于0.1％。正在发展中的新光阴极是在Ⅲ－Ⅴ族半导体（二元或三元）上加一薄层铯的氧化物。长波限可超过1.1微米。在1.1微米处的量子产额比S-I光阴极材料至少大十倍。

半导体中有两种载流子，即带负电的电子和带正电的空穴。光束照射半导体样品的一个表面时，如果光子的能量适当，就能同时产生电子和空穴。在接近光照面处，光子激发出来的电子和空穴的浓度很大，越向体内，浓度越小。这一浓度梯度促使电子和空穴都向体内扩散。但两者的扩散速度不同，一般说来，电子扩散速度较大，因而电子先扩散到样品的背光那一面，在样品中建立起一个阻止电子扩散而加速空穴扩散的电场。达到稳定状态时，电场的大小正好使电子流密度和空穴流密度相等。这时在样品的两边之间建立起一开路电压，称为扩散电压（图a）。这个现象称为光扩散效应，也称丹倍效应。光扩散电压比较小，常常被其他更显著的效应所遮盖，不易测量。

如果半导体中有一个PN结平行于光照面。光照下，P区和N区之间会产生电动势（图b），称为光生伏打效应。同样现象也可能发生在金属－半导体接触处。

设半导体样品本身是均匀的，但放在一个磁场中。图c中磁场方向垂直纸面向外。在光照下电子和空穴都向体内扩散时，受到磁场的作用，分别朝相反两个方向偏转。因而在稳定状态下，AB之间形成一开路电路。因为它是由“光”和“磁”的存在而产生的“电”，因而称为光磁电效应。

与上述几种效应的起源不同，如果入射光的光子能量不足以产生电子-空穴对，但光子可以将动量传递给样品内已有的载流子，譬如说(N型半导体)，从而加快电子在光照方向的运动。电子向背光的一端积累，会产生一电场，从而减缓电子的运动。达到稳定状态时，动量的转移速率正好为电场力所平衡。在强激光照射下，可以观测到一个开路电压，称为光子曳引效应。