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光电效应伏安特性曲线研究毕业论文
2012届本科毕业论文（设计）
题目：
光电效应伏安特性曲线研究
学院：
物理与电子工程学院
专业班级：
2007级物理班
学生姓名：
卡米里·科然木
指导教师：
巴哈德尔老师
答辩日期：
2012年5月12日
新疆师范大学
光电效应伏安特性曲线研究
摘要：
光电效应在证实光的量子性方面有着重要的地位。
1905年爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上圆满地解释了光电效应，约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。
而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，利用光电效应制成的光电器件（如：
光电管、光电池、光电倍增管等）已成为生产和科研中不可缺少的器件。
关键词：
光电效应；伏安曲线；实验数据；光电效应的应用；
1引言
1887年H.赫兹发现光电效应奇特现象，此后许多物理学家对光电效应作了深入的研究，总结出光电效应的实验规律。
1905年，年仅26岁的爱因斯坦（AlbertEinstein）在《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文中高屋建瓴，提出了“光量子”（光子）假说，圆满地解释了光电效应，并给出了光电效应方程。
10年后被实验物理学家密立根（RobertMillikan）用精确的实验证实了，并测定了普朗克常数。
他们都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理奖。
光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立和发展上，在揭示光的波粒二象性等方面都具有里程碑的深远意义，有力地推动了近代物理学的创立和发展。
利用光电效应制成的光电器件（如：
光电管、光电池、光电倍增管等）在工农业生产、科教文卫和国防建设众多领域得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用空间。
2光电效应的概述
1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。
光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。
还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。
可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光量子）所组成。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
光电效应说明了光具有粒子性。
相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。
只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。
当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。
在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。
但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。
所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大
“图一”
光电效应编辑本段理论发展历史
光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。
1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。
当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。
大约1900年，马克思·普朗克（MaxPlanck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。
他给这一理论归咎成一个等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一个常数，统称布兰科（普朗克）常数（Planck'sconstant），而f就是光源的频率。
也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。
但就是布兰科（普朗克）自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。
1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
但无法根据当时的理论加以解释
1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。
他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。
而Ek就是电子自由后具有的动能。
“图二”
光电效应编辑本段实验研究
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（WilhelmHallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。
1899年，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。
“图三”
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。
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。
当时，还有一些物理学家试图把光电效应解释为一种共振现象。
3原理
金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。
根据爱因斯坦的“光量子概念”，每一个光子具有能量
当光照射到金属上时,其能量被电子吸收,一部分耗于电子的逸出功
另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。
由能量守恒定律得
（3-1）
此式称为爱因斯坦光电方程。
式中h为普朗克常数，
为入射光的频率，m为电子质量，
为电子的最大速度，上式右边第一项为电子最大初动能。
用光电方程圆满解释了光电效应的基本实验事实：
电子的初动能与入射光频率呈线性关系，与入射光的强度无关。
任何金属都存在一截止频率
，
，
又称红限，当入射光的频率小于
时，不论光的强度如何，都不产生光电效应。
此外，光电流大小（即电子数目）只决定于光的强度。
3.1验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数
本实验采用“减速电位法”决定电子的最大初动能，并由此求出普朗克常数h。
实验原理如图2-1所示。
图中K为光电管阴极，A为阳极。
当频率为ν的单色光入射到光电管阴极上时，电子从阴极逸出，向阳极运动，形成电流。
当
为正值时，
越大，光电流
越大，当电压
达到一定值时，光电流饱和，如图2.2-2中虚线所示。
若
达到某一负值
时，光电流为零，
称为遏止电位或截止电压。
这是因为从阴极逸出的具有最大初动能的电子不能穿过反向电场到达阳极，即
“图四”
（3-2）
将（3-2）代入（3-1）式得
当用不同频率的单色光照射时，有
……
联立其中任意两个方程，得
（3-3）“图五”
由此可见，爱因斯坦光电方程提供了一种测量普朗克常数的方法，如果从实验所得的
关系是一条直线如图五，其斜率k=h/e,e为电子电荷，由此可求出常数h。
这也就证实了光电方程的正确性。
3.2光电管的实际U-I特性曲线
由于下述原因光电管的实测U-I特性曲线如图五中实线所示，光电流没有一个锐截止点。
1.在光电管制造过程中，有些光阴极物质溅射到阳级上，受光照射（包括漫反射光）时，阳极也会发射光电子，使光电管极间出现反向电流（阳极电流）。
2.无光照射时，在外加电压下，光电管中仍有微弱电流流过，称为暗电流。
这是由于光电管电极在常温下的热电子发射以及管座和管壳外表面的漏电造成的。
3.阳极和阴极材料不同引起的接触电位差。
由于上述原因使遏止电位
的确定带有很大的任意性。
实验时应根据光电管的不同结构与性能，采用不同方法确定
。
1.阴极是平面电极、阳极做成大环形可加热结构的光电管（如国产1997型或GDh-1型）其阴极电流上升很快，反向电流较小，特性曲线与横轴的交点
可近似当作遏止电压，这种方法称为“交点法”。
2.阴极为球壳形、阳极为半径比阴极小得我的同心小球的光电管（如GD-4开型），反向电流容易饱和，可以把反向电流进入饱和时的拐点（图五中
）电压近似作为遏止电位，这种方法叫做“拐点法”。
不过，不论采用什么方法，均在不同程度不同上引起系统误差，使测量h的误差较大。
4数据记录
测定普朗克常数（用光电管A）
光阑孔径φ=4mm光电管与汞灯距离L=400mm
“表一”
照射光波长（nm）
频率ν（×1014HZ）
截止电压UC（V）
普朗克常数h
×
×10-19C）
1．
）时：
其中所找点为的横坐标为-
“图六”
2．
“图七”
3．
“图八”
4.
“图九”
5.
）时：
“图十”
表二
1.由上述五个U-I曲线图,可以得出相应波长对应的遏止电位为:
波长/nm
频率/
Hz
颜色
遏止电位/v
365
近紫外
405
紫
436
蓝
547
绿
577
黄
2.由以上数据作出线性回归直线:
“图十一”
（4-1）
相对误差
%（4-2）
“图十二”
5光电效应的主要应用
利用光电效应可以把光信号转变为电信号，利用光信号与电信号之间的相互转换。
可以制造光电转换器。
光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用．如应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。
光电管就是应用最普遍的一种光电器件, 有声电影 最早的电影是没有声音的．后来虽然有了声音，但那是靠留声机来配合影片播放的．声和影配合不好时，效果当然不好．我们现在能够看到声和影完全配合一致的有声电影，还是多亏了光电管． 影片摄制完后，要进行录音．录音时通过专门的设备使声音的变化转变成光的变化，从而把声音的“像”摄制在影片的边缘上，形成宽窄变化的暗条纹，这就是影片边上的音道．放映电影时，利用光电管把“声音的照片”还原成声音．方法是：
在电影放映机中用强度不变的极窄的光束照射音道，由于影片上各处的音道宽窄不同，所以在影片移动的过程中，通过音道的光的强度也就不断变化；变化的光射向光电管时，在电路中产生变化的电流，把电流放大后，通过喇叭就可以把声音放出来
光电效应的应用工业生产中的大部分光电控制设备都用光控继电器．光控继电器在工业上可以用于产品的自动计数、安全生产等方面．用于自动计数时，可以把产品放在传送带上，光源和光电管分别放在传送带的两侧，每当传送带上输送过去一个产品时，光线被挡住一次，光控继电器就放开衔铁一次，由衔铁控制的计数器的数字就加一．工人在冲床、钻床、锻压机械上劳动时，如有不慎，容易出事故．为保证安全，可以在这些机床上安装光控继电器．当工人不慎将手伸入危险部位时，由于遮住了光线，光控继电器就立即动作，使机床停下来，避免事故的发生．
太阳电池的基本结构是:
把一个大面积PN结做好上下电极的接触引线就构成一个太阳电池。
为更好地接受日光照射,正面电极不能遮光,常做成栅状。
为了减少入射光的反射,一般在表面层上再做一层减反射膜,表面层下是PN结,底电极一般做成大面积的金属板.
目前,太阳电池的应用已十分广泛。
它已成为宇宙飞船、人造卫星、空间站的重要长期电源。
在其它方面的应用也十分普遍。
关于目前国内外太阳电池电源设备应用的情形简介如下:
宇宙开发——观测用人造卫星、宇宙飞船、通讯用人造卫星…
航空运输——飞机、机场灯标、航空障碍灯、地对空无线电通讯…
气象观测——无人气象站、积雪测量计、水位观测计、地震遥测仪…
航线识别——航标灯、浮子障碍灯、灯塔、潮流计…
通讯设备——无线电通讯机、步谈机、电视广播中继站…
农畜牧业——电围栏、水泵、温室、黑光灯、喷雾器、割胶灯…
公路铁路——无人信号灯、公路导向板、障碍闪光灯、备急…
日常生活——照相机、手表、野营车、游艇、手提式电视机、闪光灯
光电探测器是对半导体光电效应的重要应用。
光电探测器是指对各种光辐射进行接收和探测的器件。
其中光敏管（包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管）是此类光电器件的重要组成部分。
它与我们高中教材传感器实验中研究的光敏电阻都是实行光电信号转化的装置。
光电探测器在科技、生活、生产和国防建设中都有着重要的应用。
例如数码照相机、数码摄像机、天文显微镜、GPS全球定位系统、气象卫星拍摄的气象云图、巡航导弹目标定位等等。
这些应用中最基本的是有一个非常灵敏的光电探测器。
根据工作原理，鼠标大致可以分为机械式、光学机械式、光电式以及轨迹球、无线等类型。
鼠标虽然有很多种，当然目前最多的是光学机械式的鼠标了，简称为“光机鼠”。
光机鼠的结构：
鼠标内有一个圆的实心的橡皮球，在它的上下方向和左右方向各有一个转轮和它相接触，这两个转轮各连接着一个光栅轮，光栅轮的两侧各有一个发光二级管和光敏三极管。
6光电效应的具体应用
气体放电器件，如气体放电灯（荧光灯、霓虹灯、原子光谱灯、氖泡）、稳压管、冷阴极闸流管等。
激光器中用正柱区实现粒子束反转，粒子束装置中冷阴极离子源，半导体工艺中等离子体刻蚀，薄膜溅射沉积，等离子体化学沉积等。
光控制电器：
“图十三”
利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等，右上图是光控继电器的示意图，它的工作原理是：
当光照在光电管上时，光电管电路中产生电光流，经过放大器放大，使电磁铁M磁化，而把衔铁N吸住，当光电管上没有光照时，光电管电路中没有电流，电磁铁M就自动控制，利用光电效应还可测量一些转动物体的转速。
（电倍增管）
“图十四”
利用光电效应还可以制造多种光电器件，如光电倍增管、电视摄像管、光电管、电光度计等，这里介绍一下光电倍增管。
这种管子可以测量非常微弱的光。
右下图是光电倍增管的大致结构，它的管内除有一个阴极K和一个阳极A外，还有若干个倍增电极K1、K2、K3、K4、K5等。
使用时不但要在阴极和阳极之间加上电压，各倍增电极也要加上电压，使阴极电势最低，各个倍增电极的电势依次升高，阳极电势最高，这样，相邻两个电极之间都有加速电场，当阴极受到光的照射时，就发射光电子，并在加速电场的作用下，以较大的动能撞击到第一个倍增电极上，光电子能从这个倍增电极上激发出较多的电子，这些电子在电场的作用下，又撞击到第二个倍增电极上，从而激发出更多的电子，这样，激发出的电子数不断增加，最后后阳极收集到的电子数将比最初从阴极发射的电子数增加了很多倍（一般为105～108倍）。
因而，这种管子只要受到很微弱的光照，就能产生很大电流，它在工程、天文、军事等方面都有重要的作用。
农业虫害的治理需要依据为害昆虫的特性提出与环境适宜、生态兼容的技术体系和关键技术。
为害昆虫表现了对敏感光源具有个体差异性和群体一贯性的趋光性行为特征，并通过视觉神经信号响应和生理光子能量需求的方式呈现出生物光电效应的作用本质。
利用昆虫的这种趋性行为诱导增益特性，一些光电诱导杀虫灯技术以及害虫诱导捕集技术广泛地应用于农业虫害的防治，具有良好的应用前景。
7今后的发展
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
光伏发电“图十五”
目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。
所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的“浪费能源”。
当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。
而这样简易的理论构想，在实际的技术上，却可以用不同的方法来执行这样的原则。
超高效率的太阳电池（第三代太阳电池）的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料的引进，而达成大幅增加转换效率的目的。
薄膜太阳电池包括非晶硅太阳电池，CdTe和CIGS（copperindiumgalliumselenide）电池。
虽然目前多数量产薄膜太阳电池转换效率仍无法与晶硅太阳电池抗衡，但是其低制造成本仍然使其在市场有一席之地，且未来市场占有率仍会持续成长。
据美国物理学家组织网近日报道，美国能源部布鲁克海文国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们研发出了一种可吸收光线并将其大面积转化成为电能的新型透明薄膜。
这种薄膜以半导体和富勒烯为原料，具有微蜂窝结构。
相关研究发表在最新一期的《材料化学》杂志上，论文称该技术可被用于开发透明的太阳能电池板，甚至还可以用这种材料制成可以发电的窗户。
这种材料由掺杂碳富勒烯的半导体聚合物组成。
在严格控制的条件下，该材料可通过自组装方式由一个微米尺度的六边形结构展开为一个数毫米大小布满微蜂窝结构的平面。
负责该研究的美国布鲁克海文国家实验室多功能纳米材料中心的物理化学家米尔恰·卡特莱特说，虽然这种蜂窝状薄膜的制作采用了与传统高分子材料（如聚苯乙烯）类似的工艺，但以半导体和富勒烯为原料，并使其能够吸收光线产生电荷这还是第一次。
据介绍，该材料之所以还能在外观上保持透明是因为聚合物链只与六边形的边缘紧密相连，而其余部分的结构则较为简单，以连接点为中心向外越来越薄。
这种结构具有连接作用，同时具有较强的吸收光线的能力，也有利于传导电流，而其他部分相对较薄也更为透明，主要起透光的作用。
研究人员通过一种十分独特的方式来编织这种蜂窝状薄膜：
首先在包含聚合物以及富勒烯在内的溶液中加入一层极薄的微米尺度的小水滴。
这些水滴在接触到聚合物溶液后就会自组装成大型阵列，而当溶剂完全蒸发后，就会形成一块大面积的六边形蜂窝状平面。
此外，研究人员发现聚合物的形成与溶剂的蒸发速度紧密相关，这相应地又会决定最终材料的电荷传输速度。
溶剂蒸发得越慢，聚合物的结构就越紧凑，电荷传输速度也就越快。
“这是一种成本低廉而效益显著的制备方法，很有潜力从实验室应用到大规模商业化生产之中。
”卡特莱特说。
通过扫描探针式电子显微镜和荧光共焦扫描显微镜，研究人员证实了新材料蜂窝结构的均匀性，并对其不同部位（边缘、中心、节点）的光学性质和电荷产生情况进行了测试。
卡特莱特表示：
“我们的工作让人们对蜂窝结构的光学特征有了更深的了解。
下一步我们计划将这种材料应用于透明且可卷曲的柔性太阳能电池以及其他设备的制造当中，以推动这种蜂窝薄膜尽快进入实用阶段。
”
目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。
但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。
但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。
8结束语
一个偶然的实验现象，不仅没有被科学家们忽视，反而仔细研究，终于揭开了其神秘面纱，更进一步认识了大自然。
在应用领域，以上技术有些不完全成熟，需要我们继续努力研究，从而使地为人类服务。
参考文献
[1]、吴其胜等主编，材料物理性能，光电效应，华东理工大学出版社。
2006年10月。
[2]、蒋达娅等主编，大学物理实验（第2版），北京邮电大学出版社，2007年7月。
[3]、叶玉堂饶建珍等主编，光学教程（第一版）清华大学出版社，2005年8月。
[4]、杨述武赵立竹等主编普通物理实验3光学部分（第四版）高等教育出版社2011月3月。
[5]、杨兵初，大学物理学下册，高等教育出版社
[6]、林璇英.电动力学，北京；科学出版社，1999年8月
[7]、梁绍荣.近代物理学，北京:
高等教育出版社，1990年2月
[8]、马文蔚，物理学，北京:
高等教育出版社，1999年
[9]、陆果，基础物理学教程，北京:
高等教育出版社，1998年
[10]、马根源，年
致谢
本文是新疆师范大学物理与电子工程学院巴哈德尔老师的精心指导下完成的，在完成过程中和巴哈德尔老师和睦可亲，平易近人不仅在论文上给予我指导，而且让我明白做任何事情都应该保持严谨的态度。
感谢他们为我们的论文的顺利完成所付出的一切。
同时也感谢与我们一组的成员。
使他们在我对论文无助的时候无私的帮助了我,帮我找出问题。
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