光電效應和光電器件課件

光電效應和光電器件外光電效應:

在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應:在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(光生伏特效應):在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線紅外線：波長780—106nm波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線。光譜分布如圖所示。光譜遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm頻率/Hz光子能量/eV10155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長λ和頻率ν的關系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。νλ=3×1010cm/s

光電效應1、外光電效應

光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質量；v0—電子逸出速度。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。常存在于高電阻率的半導體中。半導體的導電特性：2、光電導效應q是電子電荷，Nn、Np是自由電子和自由空穴的濃度，μn、μp是自由電子和自由空穴的遷移率。ㄛ為碰撞時間。過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg3、光生伏特效應

在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。勢壘效應（結光電效應）。

接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。以PN結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。

4.1光電效應和光電器件4.1.1光電管4.1.2光電倍增管4.1.3光敏電阻4.1.4光敏二極管和光敏晶體管4.1.5光電池4.1.6光電式傳感器的應用4.1.1光電管當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。上一頁下一頁返回真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差上一頁下一頁返回4.1.2光電倍增管在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極上一頁下一頁返回光電倍增管的結構與工作原理光電陰極光電倍增極陽極 倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射。 二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子數(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n，則倍增率為σn。上一頁下一頁返回4.1.3光敏電阻1.光敏電阻的工作原理及結構2．光敏電阻的主要參數(shù)3．光敏電阻的基本特性上一頁下一頁返回1.光敏電阻的工作原理及結構當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加上一頁下一頁返回光敏電阻的結構1.玻璃2.光電導層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁下一頁返回半導體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，提高了光敏電阻的靈敏度。靈敏度高，光譜特性好，光譜響應從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定梳狀電極上一頁下一頁返回2．光敏電阻的主要參數(shù)

（1）暗電阻和暗電流

光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。一般在兆歐數(shù)量級.此時流過的電流，稱為暗電流。

（2）亮電阻

光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，一般在幾千歐以下.此時流過的電流稱為亮電流。

（3）光電流

亮電流與暗電流之差，稱為光電流。上一頁下一頁返回3．光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應時間和頻率特性（5）溫度特性上一頁下一頁返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。上一頁下一頁返回（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強之間的關系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關式光電信號傳感元件。上一頁下一頁返回（3）光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回（4）響應時間和頻率特性光電導的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。通常用響應時間t表示。上一頁下一頁返回(ms)光敏電阻的頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。上一頁下一頁返回（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性溫度系數(shù):在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率上一頁下一頁返回溫度對光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性上一頁下一頁返回一、應用于電路的分析與計算UIRGRL通常從等效電路和伏安特性曲線進行基本的分析。如左圖所示。所以很明顯應用光敏電阻可以在低速（由響應時間和頻率特性決定）用作開關電路。如果要合理設計，那么就要綜合考慮前面介紹的光敏電阻的各種特性?；痉治鲭娐范糜谄骷倪x取如：應用它的光譜特性，對不同波長的光選用不同的器件。等等。4.1.4光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理2．基本特性上一頁下一頁返回1．工作原理結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中 在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的

光敏二極管上一頁下一頁返回光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個pn結。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。

上一頁下一頁返回2．基本特性（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應上一頁下一頁返回（1）光譜特性入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降

硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。上一頁下一頁返回（2）伏安特性上一頁下一頁返回硅光敏管的伏安特性（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好上一頁下一頁返回（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關系溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。上一頁下一頁返回（5）頻率響應具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓)隨頻率的變化關系硅光敏晶體管的頻率響應上一頁下一頁返回例1

光敏二極管GG的聯(lián)結和伏安特性如圖所示。若光敏二極管上的照度發(fā)生變化，L=（100+100·sinωt)lx，為使光敏二極管上有10V的電壓變化，求所需的負載電阻RL和電源電壓E。解：根據(jù)曲線，最大電壓與最大光照對應。并使它工作在線性區(qū)域，我們?nèi)?00lx的拐點對應2V，則電源電壓為：伏安特性連接電路在電壓軸上找到12V的點，連接拐點與該點的直線為負載線。拐點對應的電流為10微安。負載電阻為4.1．5光電池有光線作用下實質上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。 1.工作原理 2．基本特性上一頁下一頁返回1.工作原理直接將光能轉換為電能的光電器件，是一個大面積的pn結。當光照射到pn結上時，便在pn結的兩端產(chǎn)生電動勢(p區(qū)為正，n區(qū)為負)。用導線將pn結兩端用導線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。上一頁下一頁返回2．基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性上一頁下一頁返回（1）光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回(2)光照特性

不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用上一頁下一頁返回光電池的短路電流

外接負載電阻相對于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值。負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬上一頁下一頁返回(3)頻率響應指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關系硅光電池具有較高的頻率響應,用于高速計數(shù)的光電轉換上一頁下一頁返回(4)溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。關系到應用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標硅光電池的溫度特性(照度1000lx)上一頁下一頁返回(5)穩(wěn)定性當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩(wěn)定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環(huán)境條件上一頁下一頁返回BG2BG1+12VCJR1R2圖1：光電開關例：圖1所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。IURL光電池的基本連接電路光電特性和光照特性曲線光電特性和光照特性曲線伏安特性曲線頻率特性曲線頻率特性曲線溫度變化對元件特性的影響4.1．6光電式傳感器的應用模擬式傳感器脈沖式傳感器上一頁下一頁返回一、光電式傳感器的基本組成1、光源（被測量X1直接對光源作用，使光通量Φ1的某一參數(shù)發(fā)生變化）；2、光學通路（被測量X2作用于光學通路中，對傳播過程中的光通量進行調(diào)制）。3、光電器件4、測量電路5.4.3光電傳感器的基本組成和類型圖5-4-15光電傳感器的基本組成二、光電傳感器的基本類型1、透射式應用：測量透明度和混濁度。2、反射式應用：測量表面粗糙度3、輻射式應用：光電高溫計和爐子燃燒監(jiān)視裝置。4、遮擋式應用：測量物體面積、尺寸和位移等5、開關式應用：①開關，②產(chǎn)品計數(shù)或測量轉速等，③編碼。圖5-4-16透射式光電傳感器圖5-4-17反射式光電傳感器圖5-4-18輻射式光電傳感器圖5-4-19遮擋式光電傳感器1．模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)。 對于光通量的任意一個選定值，對應的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)。光電比色高溫計1－物鏡；2－平面玻璃；3－光闌；4－光導棒；5－分光鏡；6－濾光片；7－硅光電池；8－濾光片；9－硅光電池；10－瞄準反射鏡；11－圓柱反射鏡；12－目鏡；13－多夫棱鏡14、15－硅光電池負載電阻；16－可逆電機；17－電子電位差計2．脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關狀態(tài)。 光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度(轉速)的光電脈沖傳感器等等。光電式數(shù)字轉速表Lighthasanelectromagneticnature.Itmaybeconsideredapropagationofeitherquantaofenergyorelectromagneticwaves.Differentportionsofthewave-frequencyspectrumaregivenspecialnames:ultraviolet(UV),visible,near-,mid-,andfarinfrared(IR),microwaves,radiowaves,andsoforth.Thename“l(fā)ight”wasarbitrarilygiventoelectromagneticradiationwhichoccupieswavelengthsfromapproximately0.1to100μm.Lightbelowtheshortestwavelengththatwecansee(violet)iscalledultraviolet,andhigherthanthelongestthatwecansee(red)iscalledinfrared.Theinfraredrangeisarbitrarilysubdividedintothreeregions:near-infrared(fromabout0.9to1.5mμ),mid-infrared(1.5to4μm),an