燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器第8章光电式传感器Photo-electricsensors燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。包括外光电效应（ExternalPhoto-electriceffect）、内光电效应（internalPhoto-electriceffect）。内光电效应又分为光电导效应（Photoconductioneffect）、光生伏特效应（Photo-voltaiceffect）8.1光电效应（Photoelectriceffect）8.1.1外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器紫外管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。02021Amh根据能量守恒定理:式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。00/Ah红限频率为：00/hcA对应的波长限为：式中：c为真空中的光速，c≈3×108m/s。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器注意！光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。8.1.2内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：1.光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。Eg24.1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。2.光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。光生伏特效应有两种：结光电效应(也称为势垒效应)和横向光电效应(也称为侧向光电效应)。燕山大学电气工程学院第8章光电式传感器1)结光电效应如图，由半导体材料形成的PN结，在P区的一侧，价带中有较多的空穴，而在N区的一侧，导带中有较多的电子。由于扩散的结果，使P区带负电、N区带...
