光电效应是指当一束光照射到金属表面时,若光的频率达到一定值,就会使金属表面上的电子将完全从金属原子表面逸出。此时,生成的电流称为光电流。但是,光电流并不是一直增加的,它在一定条件下会饱和,即不能再继续增加。造成光电流饱和的主要原因包括以下几点:
1. 能带结构:照射到材料上的光子会激发材料的电子,使得它们跃迁到传导带中,从而形成光电流。但是,由于材料的能带结构限制了电子的能量,当电子的能量足够高时,会达到能带顶部,不再受限制而逸出, 但当光子频率不变(光强I变化)时,金属表面上所需的电子数时有限的,一些高能电子能分流回去或失去能量再次碰撞到固体表面没有逸出。
2. 空间电荷限制:随着电子数量的不断增加,产生的空间电荷也会不断增加。其间互相斥力,会抑制其他电子的运动,因此光电流在达到一定值后就会饱和。
3. 饱和功函数:金属吸收光的频率越高,逸出电子的能级越高,需要克服的势能就越大,以钨为例,当光子能量较高时,克服孔中瓯状势垒的电子会发生反弹,在期望线外产生一定数量的回跳电子,这样的逸出模式是不稳定的,光电流也就难以继续增加。
总之,光电流的饱和是由于光子的能量和频率限制、空间电荷效应以及固体内部多种复杂相互作用共同影响所致。