第8章 光电效应及光电器件

• 图中硅光敏二极管频率响应曲线 说明，调制频率高于1000Hz时， 光敏晶体管灵敏度急剧下降。
光敏二极管频率响应曲线
2）光敏三极管 结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极— 集电极(集电结)作为光敏二极管（控制结）。 大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般 集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。 光 敏 三 极 管 结 构
• 探测可见光或赤热状 物体时波长短，一般 用硅管< 0.9 μm； • 锗管的峰值波长约为 1.5 μm（红外光） 对红外进行探测时用 锗管较适宜。
光敏晶体管光谱特性
传感器原理及应用
8.2.5 光电池
光电池工作原理也是基于 光生伏特效应，是直接将 光能转换成电能的器件。 有光线作用时就是电源 (太阳能电池)，所以广泛 用于宇航电源，另一类用 于检测和自动控制等。
1 2 E h mv0 A (爱因斯坦光电效应方程) 2 1 2
2
mv0 为一个电子逸出的动能（能量）； m 为电子质量 ，
ν0电子逸出物体表面时的速度； A 为电子的逸出功。
光照射物体时电子吸收入射光子的能量 ， 当物体吸入的能量超出物体逸出功A 时， 电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。 超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是 否大于物体表面的电子逸出功。
光敏电阻温度特性
8.2.4 光敏晶体管
光敏晶体管包括光敏二极管和光敏三极管，其工作 原理主要基于光生伏特效应。
光敏晶体管特点： 响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、 自动报警、自动计数等领域和装置。
1）光敏二极管 结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结， 并且都是单向导电的非线性元件。 为了提高转换效率有大面积受光，光敏二极管P-N结 面积比一般二极管大。
光导体
光敏电阻符号
光敏电阻结构
8.2.3 光敏电阻
光敏电阻光照特性 • 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； • 有光照时，电阻值随光强增加而降低； • 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。
基本特性
1.伏安特性
• 给定光照度，电压越大光电流越大； • 给定偏压，光照越大光电流越大； • 光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、 无饱和，但受最大功耗限制。 • 光照度为单位面积的光通量 Lx = lm（流明）/s
P
电子
+ + +
光源
N
空穴
Ig E
8.2 光电器件 8.2.1 光电管 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光 阴极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料； 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电 子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生光电子发射.
电子被带有正电的阳极 吸引在光电管内形成电 子流，电流在回路电阻 RL上产生正比于电流大 小的压降。
8.1.1 外光电效应
☻ 在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。
每个光子具有能量 式中：
E h
h—— ——
普朗克常数 ( J.S ) 光的频率（Hz）
1/
波长短，频率高，能量大。
入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比 。
光子具有的能量与电子的动能可由能量守恒定律表示为
+
+
-
光敏二极管符号
发光二极管符号
光敏二极管基本特性
1.光照特性 硅光敏二极管在小负载电阻情况下， 光电流与照度成线性关系。 2.光谱特性（硅光敏管为例) • 当入射波长＜0.9μm时，响应逐渐 下降，虽光波长短能量大，但光穿 透深度小，使光电流减小； • 当入射波长＞0.9μm时，响应下降 是因波长长光子能量小，当小于禁 带宽度时 不产生电子、空穴对。
• 普通的光电器件包括： 光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、 光电池、光电倍增管、光电耦合器等。
被 测 量
光信号
光电传感器
电信号
光敏管
光电开关 光敏电阻
光栅
8. 1 光电效应
• 光电器件工作原理主要利用各种光电效应
光电效应可分为： 外光电效应
光电导效应
内光电效应 光生伏特效应
•
2.）烟雾报警器
2）光谱特性 • • 光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵 敏度峰值不同。 硅光电池的光谱响应峰值 在0.8μm附近，波长范围 0.4～1.2μm。硅光电池可 在很宽的波长范围应用。 硒光电池光谱响应峰值在 0.5μm附近，波长范围 0.38～0.75μm。
•
3）频率特性
指光电池相对输出电流与光的调制 频率之间关系。
光电倍增管的电流增益很大在105～106之间。倍增极外加
电压Ud与增益G的关系近似为：
G KU d
N
式中： K—— 常数 N —— 倍增极数
光电倍增管不能直接受强光照 射,否则会损坏.通常密封使用。
8.2.3 光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应
• 光敏电阻结构 是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端 有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。
光信号 光电池 电信号
光电池结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状 受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。
原理：当光照射PN结的一个面时，电子—空穴对迅速扩散， 在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普 通光电池可产生0.2V～0.6V电压，50mA电流。
光电池结构
2.光谱特性 • 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; • 灵敏度与半导体掺杂的材料有关，
图例中材料与相对灵敏度峰位波长 硫化镉（CdS）0.3～0.8 (μm) 硫化铅（PbS）1.0～3.5 (μm) 硫化铊（TlS）1.0～7.3 (μm)
• 光敏电阻的光谱特性 与波长和材料有关
3.温度特性 • • 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。 温度T上升，波长λ变短，曲线向左移动。
光照射
光电子
e
8.1.2 内光电效应
1）光电导效应
☻ 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 • 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下
电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状 态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空 穴浓度增大引起电阻率减小。
• 为使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量应大于禁带 宽度的能量 E0＞Eg 基于光电导效应的光电器件有 光敏电阻。
c
N P N b
e
电路 符号
硅（Si）光敏三极管 工作原理 • • • • •
光敏晶体极管一般是NPN结构； 光照射在集电结的基区产生光生电子-空穴， 在电场作用下，光生电子被拉向集电极， 基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高； 同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流， 使晶体管具有电流增益。
E h h /
3.伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反 向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏 压几乎无关，只取决于光照强度。
4.温度特性 由于反向饱化很敏感。
5.频率响应 • • 光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化 关系。 光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以 及入射光波长等因素有关。
8.3 光电器件的应用 1）心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）
• • 当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。 这个压力波会引起人体组织毛细血管中血流量的变化，可记录出脉波。 光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏 电阻，然后夹在耳垂上。 心脏压力波引起的毛细血管中血流量的变化导致耳垂的透光率不同， 使光敏电阻的阻值变化，阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。
•
2） 光生伏特效应
光源 +
☻ 光生伏特效应是半导体材
料吸收光能后，在PN结上 产生电动势的效应。
P
-
+ + +
N
-
为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 下面分两种情况讨论：
• 不加偏压时的PN结 • 处于反偏时的PN结
不加偏压的P-N结
当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可 激发出电子——空穴对，在P-N结内电场作用下空穴 移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电 压，这个电压就是光生电动势.
U 0 IC RL ig RL
• 在负载电阻上的输出电压为
—晶体管电流放大系数；电流ig与光强有关
c + N P N
b
e
光敏三极管 等效电路
光敏晶体管伏安特性 光敏晶体管对光电流具有放大作用
光敏晶体管伏安特性曲线
光敏晶体管的光谱特性 • 硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光） 灵敏度最大；
电路符号
1）光电池光照特性
开路电压—光生电动势与照度之间关系； 开路电压与光照度关系是非线性关系，开 路电压在照度2000lx 趋于饱和。 短路电流—光电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载相对内 阻很小时的光电流。 + 电子
P
-
+ + +
光源
N
空穴
-

光电池工作原理示意图
光电池光照特性
光电池 电路符号
光电池电路连接 • 可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管 产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集 电极电流发生β倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。 光电池作为电源使用，需要电压高时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。