光电式传感器PPT课件

入射光能导出光电导效应的临界波长0为：
0 hc / E g
式中，h为普朗克常数；c为光速；Eg为半导体材料
能级宽度。
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电子能级的价带、导带和禁带
由上图可见, 能量高的区域称为导带, 能量低的区域为价带,
处于它们中间的是禁带, 它表示电子在其中不能存在的状态。当半
导体接收的外加光能量大于半导体禁带时, 会使半导体原子中价带
当光照射在物体上，绝大多数高阻率的半导体由于吸收
了光子的能量，使物体的电阻率发生变化而导电的现象称为
内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。
↘ 光电导效应
在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态
过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导
效应。基于光电导效应的光电器件有
。
基于外光电效应的光电器件有： 光电管和光电倍增管。
光电管
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光电倍增管
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光子能量：E h
若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A时，
电子就逸出物体表面，产生电子发射。因此要使一个电子
逸出，则光子能量必须超出逸出功A，超过部分的能量，表
现为逸出电子的动能，因此有：
爱因斯坦光电方程：h
1 mv 2 2
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光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而 释放电子的现象称为光电效应。释放的电子称为光电子， 能产生光电效应的物质称为光电材料。
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4.10.1.1 外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些光电材料上，使物体
内的电子克服正离子的束缚而逸出物体表面的现象称为外 光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。
↘势垒效应（结光电效应）
在PN结半导体光电元件中，当光线照射其接触区域(P
区)时，若光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导
带，产生电子—空穴对，由于阻挡区内电场的作用，形成光
电动势的现象称为势垒效应。
↘侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光
照产生的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产Leabharlann Baidu侧向光电
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4.10.1光电效应及其器件 4.10.2光电元件的特性 4.10.3光电信号的检测方法 4.10.4光电式传感器的应用举例
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光电式传感器是基于光电效应的传 感器，在受到可见光照射后即产生光电 效应，将光信号转换成电信号输出。由 于光电测量方法灵活多样，可测参数众 多，具有非接触、高精度、高可靠性和 反应快等特点，使得光电传感器在检测 和控制领域获得了广泛的应用。
当光照射到PN 结上时，在其 附近激发电子空穴对，在PN 结内电场作用 下，N区的光生 空穴被拉向P区， P区的光生电子 被拉向N区，结 果在N区聚集了 电子，带负电； P区聚集了空穴， 带. 正电。
这样N区和P区 间出现了电位 差，若用导线 连接PN结两端， 则电路中便有 电流流过 ， 电流方向由P 区经外电路至 N区；若将电 路断开，便可 测出光生电动 势。
积的PN结。当光照射到半导体P区上时，便在PN结两端产生 电动势（P区为正，N区为负）形成电源,如果外接负载，则 光电池就会源源不断给负载供电。
图4.10.1.5 光电池
（a）结构图；（b）工作原理示意图
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↘工作原理
P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于载流子的扩散 作用，在其交界处形成一过渡区，即PN结，并在PN结形成一 内建电场，电场方向由N区指向P区，阻止载流子的继续扩散。
光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I，在负载
电阻 RL 上的压降为输出电压U 0 。
图4.10.1.3 光电管的结构和工作原理
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4.10.1.4 光电倍增管 ↘光电倍增管的结构和工作原理
结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图
4.10.1.4所示。
原理：光电倍增管工作时(要求直流供电)，各倍增极
的电子跃迁到导带, 价带因失去电子以后而出现空穴, 所以由光的
入射就会产生电子、空穴对, 当外部加上电压时, 会使这些电子、
空穴对移动, 从而产生电流。
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↘ 光生伏特效应
当光线照射在具有PN结的半导体材料上，在PN结两边产 生电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光 电器件有光电池、光敏二极管和光敏晶体管。
效. 应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。
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4.10.1.3 光电管
↘光电管的结构和工作原理 结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴 极K和阳极A，阳极加正电位。如图4.10.1.3所示。 原理：当光电阴极K受到适当波长的光线照射时发射光 电子，电子从阴极表面逸出，被光电阳极吸引，光电子在
光，光强再大也不会逸出光电子，说明 。
↘在能产生外光电效应的前提下，单位时间内逸出的 电子数量与光强成正比，即光电流与光强成正比。
↘光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效 应器件（表面加铯或氧化铯等的光电材料），如光电管 即使没有加阳极电压，也会有光电子产生形成光电流。
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4.10.1.2 内光电效应
（D1、D2、D3…）和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电 位最低，阳极A电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电
子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的“次级电
子”。 对倍增极n=10，光电倍增管放大倍数K可达106左右，光
电倍增管的放大倍数很高，因而不能受强光照射，否则容易
造成倍增管永久损坏。
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图4.10.1.4 光电倍增管
(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路
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4.10.1.5 光电池 光电池是利用光生伏特效
应将光能直接转变成电能的 器件，它广泛用于将太阳能 直接转变为电能，因此又称 为太阳能电池。光电池的种 类很多，应用最广的是硅光 电池和硒光电池等。
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↘光电池的结构 光电池的结构如图4.10.1.5所示，它实质上是一个大面
A
式中：h为普朗克常数，h 6.626 10-34 J • s ；
为光子的频率（单位：s-1）;
m为电子质量； v为逸出电子的初速度； A为电子的逸出功（或物体表面束缚能）。
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基本规律：
↘由式可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是
否大于该物体的表面电子逸出功A。不同物体具有不同的
逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值， 称为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射