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光电效应实验

光电效应实验

光电效应的含义 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应(又称为光电效应、光敏效应),即光电导效应是光照射到某些物体上后,引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。  在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量, 若光子能量大于或等于半导体材

目录

1. 光电效应的含义

光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应(又称为光电效应、光敏效应),即光电导效应是光照射到某些物体上后,引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。

  在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量, 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度, 就激发出电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。这种效应中,目前用于传感技术的主要有光生伏特效应中的丹倍效应、光磁电效应、PN结光生伏特效应、贝克勒效应和俄歇效应等。

2. 实验原理

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。

3. 实验过程

1887年,赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时,偶然发现了光电效应。赫兹用两套放电电极做实验,一套产生振荡,发出电磁波;另一套作为接收器。他意外发现,如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射,火花放电就变得容易产生。赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后,引起物理学界广泛的注意,许多物理学家进行了进一步的实验研究。

1888年,德国物理学家霍尔瓦克斯(Wilhelm Hallwachs)证实,这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。

1899年,J.J.汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比,获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近,这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。这样,物理学家就认识到,这一现象的实质是由于光(特别是紫外光)照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能,因而从金属表面逃逸出来的一种现象。

1899—1902年,勒纳德(P.Lenard,1862—1947)对光电效应进行了系统的研究,并首先将这一现象称为“光电效应”。为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量,勒纳德在电极间加一可调节反向电压,直到使光电流截止,从反向电压的截止值,可以推算电子逸出金属表面时的最大速度。他选用不同的金属材料,用不同的光源照射,对反向电压的截止值进行了研究,并总结出了光电效应的一些实验规律。根据动能定理:qU=mv^2/2,可计算出发射出电子的能量。可得出:hf=(1/2)mv^2+I+W

深入的实验发现的规律与经典理论存在诸多矛盾,但许多物理学家还是想在经典电磁理论的框架内解释光电效应的实验规律。有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。勒纳德在1902年提出触发假说,假设在电子的发射过程中,光只起触发作用,电子原本就是以某一速度在原子内部运动,光照射到原子上,只要光的频率与电子本身的振动频率一致,就发生共振,电子就以其自身的速度从原子内部逸出。勒纳德认为,原子里电子的振动频率是特定的,只有频率合适的光才能起触发作用。勒纳德的假说在当时很有影响,被一些物理学家接受。但是,不久,勒纳德的触发假说被他自己的实验否定。

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