光电效应

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（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应（photoelectric emission）。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

许多类型的光电探测器--例如光电二极管、光电晶体管、光电管和CCD或CMOS图像传感器--的工作原理是基于光电效应。这实际上有两种完全不同的形式：外部和内部光电效应。

外光电效应

例如，如果具有足够高光子能量（高于所谓的功函数）的光照射到金属（或半导体）表面，一些光可能会被吸收，并且电子会从金属表面发射出来。如果金属部分（称为光电阴极）保持在真空中，并使用第二个电极（阳极）施加电场，吸引这些电子，人们可以检测到光电流，它与入射光强度成比例。外部光电效应为真空光电管提供了的工作原理。此处，外部是指电子是从材料表面释放获得的。

光电效应只发生在波长低于某一极限的光线中，这取决于材料；对于更长的波长，即使是相当高的光强度也不能产生这种效应。光电子的最大能量（通过所需的停止电位测量）与光强度无关，这与预期相反。相反，该最大能量取决于光波长：波长越短，光电子能量越高，而光强度只影响光电子的发射速度。

光子模型很好地解释了上述观察结果。只有当光子具有足够高的能量时，它才能触发光电子的发射——这个过程需要一定的能量，即结合能加上由此产生的电子动能。

外光电效应用于真空管光电探测器，特别是光电管和光电倍增管，也用于红外观察仪、条纹相机、图像增强器（图像放大器）和图像转换器。此外，在一些粒子加速器中使用了用超短激光脉冲照射的脉冲光电阴极。

内光电效应

内部光电效应并不产生在材料外部可以观察到的光电子，而只是将电子激发到更高的层次，即从半导体材料的价带到导带。其结果是通常在反向偏置的 p-n 结或 p-i-n 结中检测到光电流。

内部光电效应在各种类型的半导体光电探测器中得到利用，即在光电二极管和光电晶体管中。其前提条件是，光子能量大于有源区材料的带隙能。虽然典型的电介质（如熔融石英或其他光学玻璃）的带隙能量很大，而且载流子寿命也太短，但各种半导体表现出较小的带隙能量。例如，硅基探测器可以工作在大约1.1微米的波长上，尽管响应性在1微米以上时常常大幅下降。带隙能量更低的材料允许在更长的波长下进行光电探测--例如，砷化镓铟（InGaAs）可以达到≈1.7μm。

这里甚至还有用于检测中红外光的材料，例如用于红外相机。它们的带隙能量非常小，以至于在室温下已经发生了大量的热激发。 为避免这种情况，此类检测器需要在低温下运行，例如使用斯特林冷却器。