關於光電效應的飽和電流 ?

01-04

為什麼當電壓增大到一定值時電流不變?
電壓再增大時,場強也就增大,那電子的運動速度也加快了,為什麼電流不變?高中時候學到沒有去深究今天給一個孩子家教發現這個問題講不清楚

謝邀，這提的問題，提對了，解釋錯了。

先放結論：電壓增高時，陰極表面電場變大，光流強不變時，電流會變大。所以「為什麼當電壓增大到一定值時電流不變?」。就屬於不問是不是先問為什麼這一類問題了。

至於是什麼原因，絕對不是電子運動速度加快這樣的解釋。而是由於肖特基效應。這東西可以給高中生講，但不一定講得清楚。首先高中時的光電效應講得非常粗淺，不知現在的課本是不是改觀，我讀高中時講得就是愛因斯坦1905年的那篇文章。愛因斯坦是想描述光的能量粒子性，至於電子的輸運，表面勢壘那都是後來的事了。最終完整的金屬光電效應的方程描述那都是近十幾年的事。就是這個樣子了。。。看著很暈是不是？其實很簡單，就是四個部分，光反射，光吸收-電子躍遷，電子散射和電子發射。

咦？似乎沒看到電場相關項？其實藏在/phi_eff項。電場改變了積分的下限：

$phi_{Schottky}$ 就是肖特基項和電場是平方根關係。簡單得來看，電場變大，schottky勢變大，有效功函數變小。積分下限下移，量子效率QE變大。對了量子效率是衡量陰極發射效率的指標，就是定義為電子數/光子數。

對高中生這樣講很恐怖不是？

那就換種方法，直觀一點：

一個電子發射出來後在金屬里產生了一個鏡像電荷。那麼鏡像電勢就是紅色曲線。這裡的電勢定義用電子來定義和傳統的正電荷符號正好相反。然後外加電場的電勢就是綠色的那條直線。疊加後就是藍色的曲線。藍色曲線的極大值即上面的 $phi_{eff}$ ，有效功函數。顯然如果加大電場，綠色曲線更陡，藍色曲線的極大值跟著減小。量子效率就增大。光功率不變時，電流就增大。

感興趣的話可以參看：電子源的123...之1 - 知乎專欄

看樓下說考綱結論是光電效應和電壓無關。為了不誤導高中生，只能說這是低壓近似，畢竟肖特基效應和光電效應是兩個不同物理在一個實驗中的體現。上面公式2中可以看到電場的單位是MV/m，這是一個非常大的單位 $10^6 V/m$ .電壓小時這項接近於0，所以也可以說幾乎沒有變化。

樓上答案給高中生講太複雜，而且結論與高中考綱不符。光電效應光強一定時，單位時間產生的光電子數恆定，雖然電壓高時電子可以更快到達陽極，但單位時間到達陽極的電子數恆定，所以電流不變。

電流等於電荷密度乘以電荷速度。

電荷跑得快了電荷密度就降低了。

橫批: 顧此失彼

首先要仰望大神的精彩回答，

其次文末有總結。

在高中知識範圍內，

光照條件不變下(流明還是什麼的我一高中生也不是太懂)，因光電效應而每秒逸出的電子數是不變的，也就是說產生自由電子的速率不變。然後呢，這些個自由電子的動能和方向(或者直接就是動量)也不同，所以沒有一個讓自由電子一起運動電場來作用，只會產生一個較小的電流(某一瞬間內只有部分光電子不同時到達)，當有這個電場來作用時，慢慢地同一時間產生的自由電子也會近似同一時間到達，此時即為飽和電流。

咳咳，敲黑板。哪怕這個電場能把光電子加速到光速。。它的飽和電流也只會跟光電子產生的速率有關。電場的作用只是讓光電子得到充分利用。

(你可以把飽和電流下光電子的想像是瞬間到達極板，這樣更方便理解～)

高中範疇的解釋應該是

光強一定，單位時間內金屬吸收的光子數量一定，換句話說單位時間內吸收這些光子而逸出的電子數量是一定的。

電壓小的時候，這些電子跑到陽極的時間長，開始可能單位時間跑過去的還比不上逸出的電子數，這個時候增大電壓就能使單位時間內跑過去的電子更多。

等電壓大到一定程度，單位時間內從陰極跑到陽極的電子數開始要超過逸出的電子數，這時候如果增大電壓，因為單位時間內逸出的電子數不會增加，所以單位時間內從陰極跑到陽極的電子數也不會增加。