爱因斯坦对光电效应的解释

发布时间：2020-06-22 12:29:40 来源：文档文库

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二、郑厚植院士讲座

　3. 爱因斯坦对光电效应的解释

　　原子组成固体，特别是晶体的时候发生什么样的变化？因为我实在不太知道高中的同学学了什么，但是我问了一下我的博士生，他拿了一下高中的课本，他说在化学里面学过这个，我说很好。对于原子来讲，它是有原子核跟围绕在它外面进行运动的电子，而且这个电子是在不同的轨道上进行运动的。内层是P轨道，外层是S轨道，这就是我们的单个原子。我们把单个原子按照一个规律在空间做周期性的、非常紧密的排列，这个时候会发生什么事？由于这时原子跟原子之间靠得很近，因此它的轨道之间就会产生一定的谋和，这种谋和是什么意思呢？比如说S轨道就有一定的机率调到另外一个原子S轨道，这个轨道又可以跳到第三个原子的S轨道，内层P轨道也能够做这样的运动，我们把这样的运动就叫做电子在固体当中的公有化的运动。有了这样的变化，这个时候对一个固的能量状态法变化。对于原子来讲，一个P轨道，一个S轨道，它完全是一个封闭的能量。现在把N原子按照一定的规律在空间排列以后，N的原子的轨道的能量就分开一点了，就不再是一个能极了。同样对P轨道也成了这样一个能带，在半导体当中，是非常典型的，我们常常习惯把填满电子的最高的能带一般称价带，这只是一个名词而已，有时候叫它“满带”，就是全部填满电子的带。最高的没有填电子的带我们叫空带，或者叫导带。它们在价带跟导带之间就是成为一个禁带，就是在这个能量范围里不存在任何能极状态，这就是说当原子组合成固体、半导体以后发生了变化，一般我们把这个叫固体的能带。

　　我们在日常生活当中都会说现在有绝缘体、金属、半导体主要的区别。半导体是这样的，在比较低的温度下，最高填满电子的大概是在这儿，上面不填电子的空带是有一个能量间隙在这儿。一般的情况，如果说没有光照的话，这里面全是空的，没有电子。一个物质要导电，必须是有带负电的电子能够移动，这上面没有电子也不能导电。大家会说在这儿有很多的电子，但是很遗憾，任何一个电子在电场当中加速要运动的时候，它的能量一定要发生一点变化，但是在这儿所有的能量状态都被填满了，它动不了，也就等于在一个教室里如果学生挤的满满的，谁也动不了，所以填在满带里面的电子对电导也是没有贡献的。但是金属不一样，它最高填有电子的能带没填满，一半填满了，一般就是填到EF的痕迹，如果对这样的金属，加上一个电场，就会有电流流动，在EF的电子在电场当中运动能量发生一点变化，有空的状态可以接纳它，因此可以导电。

　　再回过来提醒大家一下，当时所谓的光电效应就是用一个紫外光照射一个铅金属，这是铅金属最高的填有电子的能带。在我解释这个事情以前来做一个比喻，我们打一个深水井，想把井底的水抽到上面来的时候，一定要加一个水泵，这个水泵一定要提供这样的能量，能够克服从井底的水面到井口的能量，加速度乘上具体的能量，这个时候就显然是不能用水泵了，就用光泵，用具有一定光子能量的光照射它，这个光子的能量一定要大于功函数。这个功函数就是从电子海的水平面一直到真空的自由能极这段距离，只要光子能量大于能量间隙电子，就可以跑出这样一个金属，这就是当时爱因斯坦解释的光电效应。

　　我不能妄加评论，我讲的爱因斯坦得诺贝尔奖的故事，实际上狭义相对论和广义相对论比光电效应稍微次一点，就是因为当时没有人理解他的相对论，只好拿这个授予他诺贝尔奖。

　　下面我们讲一下从当时爱因斯坦提出的外光电效应，为什么加一个WV？就是光照的金属里面把光真正从金属里面打出来，在非常多的场合以下我们发现没有必要一定要把电子打出固体来，在半导体里面我们这是一个填满的价带，这中这个能量间隙叫禁带的宽度。在半导体光中内光电效应是什么呢？就是我们的如射光子的能量大于禁带的宽度，这个时候就可以在导带里面产生一个带负的电子，同时在填满代带的里面就有一个空穴，原来空的导带里面有电子了，在电场作用之下就会产生电流，价带也不同样如此。这个光照就一下子改变了我们的半导体的导电率，就便的很导电了，这个现象是非常重要的，我们下面会讲，从爱因斯坦的外光电效益到半导体的内光电效应的应用是怎么样的。

　　半导体可以采取对半导体掺上一些特殊的元素，可以变成叫N型的半导体，一种叫P型的半导体。N型半导体主要是由电子起作用，P型的半导体，主要是填满带里的正电起作用，一般叫它空穴。把这两个半导体紧密地连接在一起的时候，N电子比较多，有一部分要扩散到P型里，任何电荷总是多的地方往少的地方走。同时，空穴原来P型里比较多，就要跑到N型里。达到平衡的时候，就发现N型带负电，这是能量坐标，用电子磁带是负电荷，所以它的势能是高的，这时在N跟P型半导体的接触面的地方形成了内建的电场。因为这个地方有势能的差，这边是带负电，那边是带正电的，正负电荷之间就存在一个电场。