1、1主講教師主講教師: : 陳銀銀陳銀銀15824807783158248077832 光電傳感器是一種將光電傳感器是一種將光量光量的變化的變化轉換為轉換為電量電量變化的傳感器。它的物理基礎就是變化的傳感器。它的物理基礎就是光電效應光電效應。 光電效應分為光電效應分為外光電效應外光電效應和和內光電效應內光電效應兩大兩大類。類。3 定義：定義：在光照射下在光照射下, ,電子逸出物體表面向外發射的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應現象稱為外光電效應, ,亦稱亦稱光電發射效應光電發射效應。 1887 1887年，首先是赫茲（年，首先是赫茲（M.HertzM.Hertz）在證明波動理）在證明波

2、動理論實驗中首次發現的；論實驗中首次發現的； 19021902年，勒納（年，勒納（Lenard)Lenard)也對其進行了研究，指也對其進行了研究，指出光電效應是金屬中的電子吸收了入射光的能量從表出光電效應是金屬中的電子吸收了入射光的能量從表面逸出的現象。但無法根據當時的理論加以解釋面逸出的現象。但無法根據當時的理論加以解釋 ； 19051905年，愛因斯坦提出了光子假設。年，愛因斯坦提出了光子假設。45每個光子的能量：E = hE = h h h普朗克常數，普朗克常數，6.6266.6261010-34-34JsJs；光的頻率（光的頻率（s s-1-1）=3=310108 8m / sm /

3、 s6 若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功功A0 0時，電子就逸出物體表面，產生電子發射。時，電子就逸出物體表面，產生電子發射。 故要使一個電子逸出，則光子能量故要使一個電子逸出，則光子能量h必須超出逸必須超出逸出功出功A0 0。 超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。02021Amvhvm電子質量；v0電子逸出速度。愛因斯坦光電方程：愛因斯坦光電方程：78光電子能否產生，取決于光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功物體的表面電子逸出功A0 0。不同物體具有不同

4、的逸出功，這意味著每一個物不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應的光頻閾值，成為紅限頻率或波體都有一個對應的光頻閾值，成為紅限頻率或波長限。長限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強再光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產生光電子發射大也不會產生光電子發射。02021Amvhv9當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。強成正比。光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效應器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會效應器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產生。有光電流產

5、生。02021Amvhv基于外光電效應的光電器件：光電管、光電倍增管基于外光電效應的光電器件：光電管、光電倍增管10 當光照射在物體上，使物體的電阻率當光照射在物體上，使物體的電阻率發生變化，發生變化，或產生光生電動勢的現象或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應叫做內光電效應。 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。光電導效應。（器件：光敏電阻器件：光敏電阻）11 當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材當光照射到光電導體上時，

6、若這個光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導材料料，而且光輻射能量又足夠強，光電導材料價帶上的電子將價帶上的電子將被激發到導帶上去被激發到導帶上去, ,致使光導體的致使光導體的電導率變大電導率變大。12 Eg hch 為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度導材料的禁帶寬度EgEg，即，即1314 在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象。在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象。基于該效應的器件有基于該效應的器件有光電池光電池和和光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管等。等。15+4+4+4+

7、4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導體型半導體（電子型半導體）在本征半導體中摻入五價的元素(磷、砷、銻 )多余電子，多余電子，成為自由電子成為自由電子+5自由電子自由電子+516+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導體型半導體（空穴型半導體）在本征半導體中摻入三價的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴(1) 在濃度差的作用下，電子從在濃度差的作用下，電子從 N區向區向P區擴散。區擴散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - -

8、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(2) 在濃度差的作用下，空穴從在濃度差的作用下，空穴從 P區向區向N區擴散。區擴散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴散。在在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴散。在P區和區和N區區交界面上，留下了

9、一層不能移動的正、負離子。交界面上，留下了一層不能移動的正、負離子。小結小結N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -即即PN結結空間電荷層空間電荷層N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - -

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -形成內電場形成內電場內電場方內電場方向向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN結結一方面阻礙多子的擴散一方面阻礙多子的擴散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

11、+ + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24PN結形成過程動畫演示結形成過程動畫演示25 光照射光照射PNPN

12、結時，若結時，若h h EgEg，使價帶中的電子躍遷到，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，電子偏向電子偏向N N區外側，空穴偏向區外側，空穴偏向P P區外側，使區外側，使P P區帶正電，區帶正電，N N區帶負電，形成光生電動勢。區帶負電，形成光生電動勢。勢壘效應（結光電效應）勢壘效應（結光電效應）2627側向光電效應側向光電效應 當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分產生電當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分產生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現了載流子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現

13、了載流子濃度梯度，引起載流子擴散。子濃度梯度，引起載流子擴散。 如果電子比空穴擴散得快，導致光照部分帶正電，未如果電子比空穴擴散得快，導致光照部分帶正電，未照部分帶負電，從而產生電動勢。照部分帶負電，從而產生電動勢。光電器件如半導體光電位置敏感器件（光電器件如半導體光電位置敏感器件（PSDPSD）。）。28 利用物質在光的照射下發射電子的利用物質在光的照射下發射電子的外光電外光電效應效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如氣的光電器件，如光電管光電管和和光電倍增管光電倍增管。29（1 1）結構與工作原理）結構與工作原理包括包括真空光電管真空光

14、電管和和充氣光電管充氣光電管兩類。兩類。30 光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡內壁上光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對準光的照射孔。做成，其感光面對準光的照射孔。 當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在外電路作用下形成電流。有正電位的陽極所吸引，在外電路作用下形成電流。 3132光電管外形圖光電管外形圖 33（1 1）內充有少量的惰性氣體，如）內充有少量的惰性氣體，如氬、氖；氬、氖；（2 2）當充氣光電管的陰極被光照）當充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的

15、過程射后，光電子在飛向陽極的過程中，和氣體的原子發生碰撞使氣中，和氣體的原子發生碰撞使氣體電離；體電離；（3 3）增大了光電流，從而使靈敏）增大了光電流，從而使靈敏度增加；度增加；（4 4）但導致充氣光電管的光電流）但導致充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例，因而穩與入射光強度不成比例，因而穩定性較差。定性較差。陽極陰極陽極陰極充氣光電管充氣光電管34（2 2）主要性能：）主要性能：伏安特性、光照特性、光譜特性伏安特性、光照特性、光譜特性 光電管的伏安特性光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陽在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為

16、光電管的伏安特性。極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。35 真空光電管當入射光比較弱時，由于光電子較少，只要較低真空光電管當入射光比較弱時，由于光電子較少，只要較低的陽極電壓就能收集到所有的光電子，而且輸出電流很快就可的陽極電壓就能收集到所有的光電子，而且輸出電流很快就可以達到飽和；以達到飽和； 當入射光比較強時，使輸出電流達到飽和，則需要較高的陽當入射光比較強時，使輸出電流達到飽和，則需要較高的陽極電壓。極電壓。 光電管的工作點應選在光電流與陽極電壓無關的飽和區內。光電管的工作點應選在光電流與陽極電壓無關的飽和區內。由于這部分動態阻抗非常大，以致可以看做恒流源。由于這部分動態阻抗非

17、常大，以致可以看做恒流源。真空光電管真空光電管 充氣光電管充氣光電管 36 充氣光電管當受光照射時，光電子在趨向陽極的途中撞擊充氣光電管當受光照射時，光電子在趨向陽極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加。因惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急速增加。因此，充氣光電管不具有真空光電管的那種飽和特性。當達到此，充氣光電管不具有真空光電管的那種飽和特性。當達到充分離子化電壓附近時，陽極電流急速上升。充分離子化電壓附近時，陽極電流急速上升。 急速上升部分的特性就是氣體放大特性，放大系數為急速上升部分的特性就是氣體放大特性，放大系數為5-105-10。由此可見充氣光電管的優點

18、是靈敏度高，但穩定性較真空光由此可見充氣光電管的優點是靈敏度高，但穩定性較真空光電管的差。電管的差。真空光電管真空光電管 充氣光電管充氣光電管 37光電管的光照特性光電管的光照特性當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光電流與光通當光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光電流與光通量之間的關系。量之間的關系。u光照特性曲線的斜率光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。稱為光電管的靈敏度。u光電管陰極材料不同，光電管陰極材料不同，其光照特性也不同。其光照特性也不同。38 光電管的光譜特性光電管的光譜特性 一般對于一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅光電陰極材料不同的光電管，它們有

19、不同的紅限頻率限頻率v v0 0，因此它們可用于不同的光譜范圍。，因此它們可用于不同的光譜范圍。 即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v v0 0，并，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發射的光電且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發射的光電子的數量還會不同，即子的數量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。，這就是光電管的光譜特性。 所以，對各種不同波長區域的光，應選用不同材料的光所以，對各種不同波長區域的光，應選用不同材料的光電陰極。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，

20、構成紅外探測電陰極。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。39 當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾個微安，很不容易探測。這時常使用光電倍增只有零點幾個微安，很不容易探測。這時常使用光電倍增管對電流進行放大。管對電流進行放大。40 光電倍增管除光電陰極外，還有若干個倍增電極。使用時各光電倍增管除光電陰極外，還有若干個倍增電極。使用時各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的

21、電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增電極用次級發射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子電極用次級發射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產生更多的轟擊下，能夠產生更多的“次級電子次級電子”。41 光電倍增管的放大倍數可達到幾萬倍到幾億倍。光光電倍增管的放大倍數可達到幾萬倍到幾億倍。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬倍以上。因此電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬倍以上。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。 但是它要求幾千伏的工作電壓，因而，其結構復雜、但是它要求幾千伏的工

22、作電壓，因而，其結構復雜、笨重并易老化。笨重并易老化。4243光敏電阻又稱光導管，為純電光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于阻元件，其工作原理是基于光光電導效應電導效應，其，其阻值隨光照增強阻值隨光照增強而減小而減小。44無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，由于內光電效應使其導電性能增時，由于內光電效應使其導電性能增強，它的阻值（亮電阻）急劇減少，強，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。電路中電流迅速增大。4546

23、47 光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻暗電阻，此時流過的，此時流過的電流為電流為暗電流暗電流。 在受到光照時的電阻稱為在受到光照時的電阻稱為亮電阻亮電阻，此時的電流稱為，此時的電流稱為亮電流亮電流。 亮電流與暗電流之差為亮電流與暗電流之差為光電流光電流。 當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。阻的靈敏度高。實際光敏

24、電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。以下。光敏電阻的主要參數光敏電阻的主要參數48光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性光照特性光照特性0.050.100.150.200.250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0光通量光通量/lm/lm光電流光電流/mA/mA多數是非線性的；多數是非線性的；不宜做線性測量元件不宜做線性測量元件;多做開關式的光電轉換器。多做開關式的光電轉換器。49光譜特性光譜特性 0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化鎘硫化鎘硫化鉈硫化鉈硫化鉛硫化鉛入射光波長入射光波長/nm

25、/nm相對靈敏度相對靈敏度/%/% 硫化鎘硫化鎘的峰值在的峰值在可見光可見光區域，區域， 硫化鉛硫化鉛的峰值在的峰值在紅外紅外區域。區域。 選用時把元件和選用時把元件和光源結合起來考慮。光源結合起來考慮。50 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。之間的關系稱為伏安特性。0 10 20 30 40 5050100150200250I I/ A/ AU U/V /V 所加的電壓越所加的電壓越高，光電流越大，而高，光電流越大，而且沒有飽和的現象。且沒有飽和的現象。 在給定的電壓下，在給定的電壓下，光電流的數值將

26、隨光光電流的數值將隨光照增強而增大。照增強而增大。51光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的光電器光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉變為電能，因此又稱為太陽能件。由于它可把太陽能直接轉變為電能，因此又稱為太陽能電池。電池。它有較大面積的它有較大面積的PNPN結，當光照射在結，當光照射在PNPN結上時，在結的兩結上時，在結的兩端出現電動勢。故光電池是有源元件。端出現電動勢。故光電池是有源元件。目前，應用最廣、最有發展前途的是硅光電池和硒光電池。目前，應用最廣、最有發展前途的是硅光電池和硒光電池。52 硅光電池的價格便宜，轉換效率高，壽命長，適硅光電

27、池的價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。于接受紅外光。 硒光電池的光電轉換效率低、壽命短，適于接收硒光電池的光電轉換效率低、壽命短，適于接收可見光。可見光。 砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受應特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛星、太空宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛星、太空探測器等的電源方面應用最廣。探測器等的電源方面應用最廣。53通信衛星上的光電池通信衛星上的光電池 54硅光電池的結構如圖。它是在一塊硅光電池的結構如圖。它是在一塊N

28、 N型硅片上用擴散的辦法摻入一些型硅片上用擴散的辦法摻入一些P P型雜質（如硼）形成型雜質（如硼）形成PNPN結。結。 55若將若將PNPN結兩端用導線連起來，電結兩端用導線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。開，就可測出光生電動勢。 當光照到當光照到PNPN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子近激發出電子- -空穴對，在內電場的作用下，空穴移向空穴對，在內電場的作用下，空穴移向P P型型區，電子移向區，電子移向N N型區，在型區，在P P區聚積正電荷，區聚積正電荷，N N區聚積負電荷

29、，區聚積負電荷，這樣這樣N N區和區和P P區之間出現電位差。區之間出現電位差。5657PN光光光敏二極管符號光敏二極管符號光敏二極管接線光敏二極管接線RL 光光PN58光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態。光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流。當無光照射時，光敏二極管處于截止反向電流也叫做暗電流。當無光照射時，光敏二極管處于截止狀態；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態。狀態；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態。PN光光光敏二極管接線光敏二極管接線RL 光光PN內電場增強內電場增強PN結變寬結變寬PN結呈現高結呈現高阻、截止狀態阻、截止狀態不利多子擴散不利多子擴散有利少子漂移有利少子漂移(2)PN結反向偏置結反向偏置 - - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + +