光电效应

光电效应的定义与分类

光电效应是指光照射到物体上，使物体发射电子、电导率发生变化或产生光生电动势等电学特性改变的现象。根据电子是否逸出物体表面，光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。

光子能量与光电效应方程

光子是具有能量的粒子，每个光子的能量为
$E=h\nu$
式中，$h$ 为普朗克常数（$h=6.626\times {10}^{-34}\mathrm{J}\cdot \mathrm{s}$），$\nu$ 为光的振动频率（单位：$\mathrm{H}\mathrm{z}$）。

根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只给一个电子。电子要从物体中逸出，必须使光子能量 $E$ 大于表面逸出功 $A_0$。逸出表面的电子具有的动能由光电效应方程给出：
$E_k=\frac{1}{2}m{v}^2=h\nu -A_0$
式中，$m$ 为电子质量，$v$ 为电子逸出的初始速度，$A_0$ 为材料的表面逸出功。

外光电效应

当光照射到金属或金属氧化物构成的光电材料上时，光子的能量传给材料表面的电子，若电子获得足够能量，会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。

基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。

内光电效应

内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。内光电效应多发生于半导体内，可分为光电导效应和光生伏特效应两种。

光电导效应：物体在入射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子-空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在，但金属因电子能态不同，不会产生光电导效应。基于光电导效应的典型器件是光敏电阻。

光生伏特效应：光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能变为电能的一种效应。当光照在半导体PN结或金属-半导体接触面上时，在PN结或金属-半导体接触面的两侧会产生光生电动势，这是因为PN结或金属-半导体接触面因材料不同质或不均匀而存在内建电场，半导体受光照激发产生的电子或空穴会在内建电场的作用下向相反方向移动和积聚，从而产生电位差。基于光生伏特效应的典型器件有光电池、光敏二极管和光敏晶体管。

光电效应的技术关系

光电效应是光电式传感器的物理基础。光电式传感器利用光电器件把光信号转换成电信号或电参数（电压、电流、电荷、电阻等）。工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现对非电量的测量。

不同光电效应类型对应的器件及其输出物理量如下：

• 外光电效应：光电管、光电倍增管，输出电流；
• 光电导效应：光敏电阻，输出电阻；
• 光生伏特效应：光电池、光敏二极管、光敏晶体管，输出电流或电压。

适用范围与条件

外光电效应主要发生于金属或金属氧化物材料，要求入射光子能量大于材料逸出功。内光电效应主要发生于半导体材料，其中光电导效应在大多数半导体和绝缘体中存在，金属不产生光电导效应；光生伏特效应需要存在内建电场（如PN结或金属-半导体接触）。

这里 $\nu$ 为普通频率（Hz），光子能量为 $h\nu$；若使用角频率 $\omega$（rad/s），应写 $\mathrm{\hslash }\omega$。光电方程给出逸出电子的最大动能，实际电子动能有分布。