光電效應(yīng)和光電器件課件

光電效應(yīng)和光電器件外光電效應(yīng):

在光線(xiàn)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(yīng):在光線(xiàn)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(lèi)光電器件。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)):在光線(xiàn)作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等一、光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱(chēng)為近紫外線(xiàn)波長(zhǎng)200—300nm稱(chēng)為遠(yuǎn)紫外線(xiàn)波長(zhǎng)10—200nm稱(chēng)為極遠(yuǎn)紫外線(xiàn)紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)780—106nm波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱(chēng)近紅外線(xiàn)波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線(xiàn)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。光譜分布如圖所示。光譜遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm頻率/Hz光子能量/eV10155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)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(zhǎng)λ和頻率ν的關(guān)系為

ν的單位為Hz，λ的單位為cm。νλ=3×1010cm/s

光電效應(yīng)1、外光電效應(yīng)

光子是具有能量的粒子，每個(gè)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(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)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(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開(kāi)始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過(guò)10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)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(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)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(dòng)能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。在光線(xiàn)作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。常存在于高電阻率的半導(dǎo)體中。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：2、光電導(dǎo)效應(yīng)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(shí)間。過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)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(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg3、光生伏特效應(yīng)

在光線(xiàn)作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。

接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線(xiàn)照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線(xiàn)照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。

4.1光電效應(yīng)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(yīng)用4.1.1光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)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(yè)下一頁(yè)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(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)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(yè)下一頁(yè)返回4.1.2光電倍增管在入射光極為微弱時(shí)，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(yáng)極上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽(yáng)極 倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)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(yè)下一頁(yè)返回4.1.3光敏電阻1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)2．光敏電阻的主要參數(shù)3．光敏電阻的基本特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加上一頁(yè)下一頁(yè)返回光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線(xiàn)光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，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(yīng)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(yè)下一頁(yè)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(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱(chēng)為暗電阻。一般在兆歐數(shù)量級(jí).此時(shí)流過(guò)的電流，稱(chēng)為暗電流。

（2）亮電阻

光敏電阻在某一光照下的阻值，稱(chēng)為該光照下的亮電阻，一般在幾千歐以下.此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。

（3）光電流

亮電流與暗電流之差，稱(chēng)為光電流。上一頁(yè)下一頁(yè)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(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性上一頁(yè)下一頁(yè)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(guān)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(méi)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(guān)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線(xiàn)性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（3）光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。上一頁(yè)下一頁(yè)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(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(yè)下一頁(yè)返回溫度對(duì)光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回一、應(yīng)用于電路的分析與計(jì)算UIRGRL通常從等效電路和伏安特性曲線(xiàn)進(jìn)行基本的分析。如左圖所示。所以很明顯應(yīng)用光敏電阻可以在低速（由響應(yīng)時(shí)間和頻率特性決定）用作開(kāi)關(guān)電路。如果要合理設(shè)計(jì)，那么就要綜合考慮前面介紹的光敏電阻的各種特性。基本分析電路二、應(yīng)用于器件的選取如：應(yīng)用它的光譜特性，對(duì)不同波長(zhǎng)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(yè)下一頁(yè)返回1．工作原理結(jié)構(gòu)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(yè)下一頁(yè)返回光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。

上一頁(yè)下一頁(yè)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(yīng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）光譜特性入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降

硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則鍺管較為適宜。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（2）伏安特性上一頁(yè)下一頁(yè)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(xiàn)的線(xiàn)性較好上一頁(yè)下一頁(yè)返回（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回例1

光敏二極管GG的聯(lián)結(jié)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(fù)載電阻RL和電源電壓E。解：根據(jù)曲線(xiàn)，最大電壓與最大光照對(duì)應(yīng)。并使它工作在線(xiàn)性區(qū)域，我們?nèi)?00lx的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(diǎn)，連接拐點(diǎn)與該點(diǎn)的直線(xiàn)為負(fù)載線(xiàn)。拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流為10微安。負(fù)載電阻為4.1．5光電池有光線(xiàn)作用下實(shí)質(zhì)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(yè)下一頁(yè)返回1.工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線(xiàn)將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，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(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回2．基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性上一頁(yè)下一頁(yè)返回（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)光照特性

不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線(xiàn)性關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度是非線(xiàn)性的光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電池的短路電流

外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來(lái)說(shuō)很小情況下的電流值。負(fù)載越小，光電流與照度之間的線(xiàn)性關(guān)系越好，而且線(xiàn)性范圍越寬上一頁(yè)下一頁(yè)返回(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換上一頁(yè)下一頁(yè)返回(4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)上一頁(yè)下一頁(yè)返回(5)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線(xiàn)可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)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(yè)下一頁(yè)返回BG2BG1+12VCJR1R2圖1：光電開(kāi)關(guān)例：圖1所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。IURL光電池的基本連接電路光電特性和光照特性曲線(xiàn)光電特性和光照特性曲線(xiàn)伏安特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)溫度變化對(duì)元件特性的影響4.1．6光電式傳感器的應(yīng)用模擬式傳感器脈沖式傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回一、光電式傳感器的基本組成1、光源（被測(cè)量X1直接對(duì)光源作用，使光通量Φ1的某一參數(shù)發(fā)生變化）；2、光學(xué)通路（被測(cè)量X2作用于光學(xué)通路中，對(duì)傳播過(guò)程中的光通量進(jìn)行調(diào)制）。3、光電器件4、測(cè)量電路5.4.3光電傳感器的基本組成和類(lèi)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(lèi)型1、透射式應(yīng)用：測(cè)量透明度和混濁度。2、反射式應(yīng)用：測(cè)量表面粗糙度3、輻射式應(yīng)用：光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置。4、遮擋式應(yīng)用：測(cè)量物體面積、尺寸和位移等5、開(kāi)關(guān)式應(yīng)用：①開(kāi)關(guān)，②產(chǎn)品計(jì)數(shù)或測(cè)量轉(zhuǎn)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(duì)于光通量的任意一個(gè)選定值，對(duì)應(yīng)的光電流就有一個(gè)確定的值，而光通量又隨被測(cè)非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)。光電比色高溫計(jì)1－物鏡；2－平面玻璃；3－光闌；4－光導(dǎo)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(zhǔn)反射鏡；11－圓柱反射鏡；12－目鏡；13－多夫棱鏡14、15－硅光電池負(fù)載電阻；16－可逆電機(jī)；17－電子電位差計(jì)2．脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。屬于這一類(lèi)的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線(xiàn)位移、線(xiàn)速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。光電式數(shù)字轉(zhuǎn)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