9-光电式传感器1

• 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时， 光通量与光电流之间的关系。 曲线1表示氧铯阴极光电 管的光照特性，光电流I 与光通量成线性关系。 曲线2为锑铯阴极的光电 管光照特性，它呈非线性 关系。
9.2 外光电效应器件
(3) 光电管光谱特性 • 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同， 这就是光电管的光谱特性，用量子效率表示。
第9章 光电式传感器
9.1 光电效应
9.2 外光电效应器件
9.3 内光电效应器件
9.4 光电式传感器的应用 9.5 其它光电式传感器
光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件 三部分组成。 光电式传感器是以光电元件作为转换元件，可以 将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的 传感器。
光电式传感器的物理基础是光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效应
对一定波长入射光的光子射到物体表面上，该表面所发 射的光电子平均数，称为量子效率，用百分数表示，它 直接反映物体对这种波长的光的光电效应的灵敏度。
光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比) 称为光电管的灵敏度。
9.2 外光电效应器件
光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光 电管其灵敏度分布不同。所以，对各种不同波长区 域的光，应选用不同材料的光电阴极。
9.1 光电效应
1、外光电效应 光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面 逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射。外 光电效应中逸出的电子称为光电子。 光电效应方程 （1）光照射在物体上可以看成一连串具有一定能 量的光子轰击这些物体。
E h
9.1 光电效应
（2）一个光子的能量只能传递给一个电子，因 此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电 子，使自由电子的能量增加hν。
9.2 外光电效应器件
（2）这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材 料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的 “次级电子”。 （3）从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打 到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电 子能从这个倍增电极上打出3—6倍个次级电子；被 打出来的次级电子再经过电场的加速后，打在第二 个倍增电极上，电子数又增加3—6倍，如此不断倍 增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子 数的105－106倍。即光电倍增管的放大倍数可达到 几万倍到几百万倍。
M 12 2 2 32 16 2
I 1000e M
9.2 外光电效应器件
(2) 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 • • 光电阴极的灵敏度： 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数。 光电倍增管的总灵敏度： 一个光子在阳极上产生的平均电子数。
放大倍数
灵敏度很高，故不 能受强光照射，否 则将会损坏。
9.3 内光电效应器件
Φ Rn C1 Rn-1
2
Rn-2
3
R1
n
U1
C C C 在光敏电阻两端的金属电极之 +U 间加上电压，其中便有电流通 C 过，受到适当波长的光线照射 -U 时，电流就会随光强的增加而 变大，从而实现光电转换，根 图6-1-4 光电倍增管的基本电路 据电流值的变化，即可推算出 照射光强的大小。
光电导
光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电 灵敏度，常作为光电控制用。
9.3 内光电效应器件
1、工作原理
当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时， 只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价 带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带， 并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光 照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流 子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻 阻值下降。入射光消失后，由光子激发产生的电 子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐 渐恢复原值。
光源 + 电子 空穴
P
-
+ + +
N
-
9.1 光电效应
当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对 时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流 子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流 子要扩散。
一般电子活动性比空穴大，那么空穴的扩散不明 显，则电子向未被光照部分扩散，从而造成光照 射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，这 种被光照部分和未被光照部分所产生的电势差即 为光电势。
h hc


1.24
电子能量

Eg
导带
自由电子 所占能带 不存在电子 所占能带 价电子 所占能带
式中ν、λ分别为入射 光的频率和波长。 光电导体的电导 率增加的条件??
Eg
禁带 价带
图9.1.1 光电导效应的原理
9.1 光电效应
光生伏特效应 (1) 定义：在光线作用下能够使物体产生一定方 向电动势的现象叫做光生伏特效应。包括势垒效 应和侧向光电效应。 (2) 基于光生伏特效应的光电器件：光敏二极管、 三极管和光电池。 (3) 势垒效应(结光电效应)： 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触 区域时,便引起光电动势，这就是结光电效应。
(2) 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越 多，逸出的电子数也就越多。 1 2 mv (3) 光电子逸出物体表面具有初始动能 ， 2 因此外光电效应器件即使没有加阳极电压，也会有 光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止 电压截止电压和入射光的频率成正比。
9.2 外光电效应器件
2．主要参数
(1) 倍增系数M
倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数 δi 的乘积。如果n个倍增电极的δi 都一样，则M＝ δin。因此，阳极电流I为：
I iM i
n i
式中：i——光电阴极的光电流。
M一般在105~108之间，与所加电压有关。
9.2 外光电效应器件
9.2 外光电效应器件
[1]利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应制成； [2]一般都是真空或充气的光电器件，如光电管和光电倍 增管。 一、光电管及其基本特性
9.2 外光电效应器件
1、结构与工作原理 结构： 真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极和 阳极，阳极加正电位，阴极接受光的照射 。 原理： 当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子， 在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形 成电子流，在外电路中便产生电流I。
9.1 光电效应
以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大 于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产 生电子空穴对，在内电场的作用下，被光激发的电 子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从 而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 (4) 侧向光电效应 当半导体光电器件受 光照不均匀时，载流子的 浓度梯度将会引起所谓的 侧向光电效应。
106
105 104 103 25 50 75 极间电压(V) 100 125
9.2 外光电效应器件
(3) 暗电流 由于环境温度、热辐射和其他因素的影响， 即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流， 这种电流称为暗电流。 暗电流通常可以用补偿电路加以消除。 (4) 光电倍增管的光谱特性
与相同材料的光电管的光谱特性很相似。
12V
R
J
3DG 4
RC
100Ω
9.3 内光电效应器件
(3)机理： 当光照射到本征半导体材料（如硅和锗）的 光电导体上，而且光辐射能量又足够强时，材料 价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带 的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率 变大；也就是指使得光导体的导电能力增大。
9.1 光电效应
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 电导材料的禁带宽度Eg，即：
（3）光子能量一部分用作电子逸出物体表面所 需要的逸出功A0，另一部分变成电子的初动能。 即爱因斯坦光电效应方程：
1 2 Ek mv h A0 2
光电效应方程的分析：
1、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A0。不同的物质具有不同 的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光 频阈值，称为红限频率(又称光谱域值)。光线频率 低于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子 逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不 会产生光电子发射；反之入射光频率高于红限频率， 即使光线微弱，也会有光电子射出。
如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M 具有—定的统计涨落。一般阳级和阴级之间的电 压为1000－2500V，两个相邻的倍增电极的电位差 为50-100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小
统计涨落，从而减小测量误差。
试述光电倍增管的结构和工作原理与光电管的异 同点。若入射光子为103个(1个光子等效于1个电 子电量)。光电倍增管共有16个倍增极，且16个 倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试 求光电倍增管的阳极电流和倍增系数。 解：
2
IΦ
mA
图6-1-5 光敏电阻结构示 意图及图形符号
9.3 内光电效应器件
2、光敏电阻的主要参数
1）暗电阻 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经 过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的 电流，称为暗电流。 2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为 该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。 显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小 越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光 敏电阻的灵敏度就高。
银氧铯阴极
红光 红外线区 量子效率（%） 紫外线区
25 20 15
量子效率（%）
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.4 0.6
锑铯阴极
波长 （um）
0.8 1.0
10 5 0 0.2 0.4 0.6
波长 （um）
一光电管与5kΩ电阻串联，若光电管灵敏度为 30μA/lm，试计算当输出电压为2V时的入射光通量。