光电效应

二、光电效应（光子效应） 光电效应（光子效应）
确切给光电效应一个定义： 确切给光电效应一个定义：某些物质在辐射作 光电效应一个定义 用下， 用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状 态发生变化，因而产生物质的光电导效应 光电导效应、 态发生ຫໍສະໝຸດ Baidu化，因而产生物质的光电导效应、光 等现象。 生伏特效应和光电子发射等现象 生伏特效应和光电子发射等现象。 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 产生的原因：是辐射，而不是升温； 产生的原因：是辐射，而不是升温； 电子运动状态发生变化； 现 象：电子运动状态发生变化； 产生的结果：光电导效应、光生伏特效应、 产生的结果：光电导效应、光生伏特效应、 光电子发射。 光电子发射。
2、爱因斯坦定律（光电发射第二定律） 、爱因斯坦定律（光电发射第二定律）
爱因斯坦方程式： E k = hν − E ϕ 式中 Ek = mv 是电子离开发射体表面时 的动能，v是电子离开时的速度。hν是光子能 的动能，v是电子离开时的速度。hν是光子能 量。 是光电发射体的功函数。
1 2 2
物理意义： 物理意义：如果发射体内的电子所吸收的 光子的能量 hν 大于发射体的功函数的值， 那么电子就能以一定的速度从发射体表面 逸出。
5、光电发射过程 、
（1）光电子吸收光子以后产生激发，即得 到能量 （2）得到光子能量的电子（受激电子）从 发射体向真空界面运动（电子传输） （3）到达界面的受激电子越过表面势垒向 真空逸出
应用应用 光电管
光电管
工作原理：碱金属（ 工作原理：碱金属（如钾、钠、铯等）作 为阴极，另一个极为阳极， 为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正 向电压，这样当有光照射时， 向电压，这样当有光照射时，碱金属产生 电子，就会形成一束光电子电流， 电子，就会形成一束光电子电流，从而使 两极间导通，光照消失，光电子流也消失， 两极间导通，光照消失，光电子流也消失， 使两极间断开。 使两极间断开。
光电效应分类
光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收 光与物质的作用实质是光子与电子的作用， 光子的能量后，改变了电子的运动规律。 光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构 和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同， 和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子 作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的 作用下产生的载流子就有不同的规律， 光电效应。 光电效应。 外光电效应 光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 丹倍效应 光磁效应 光电发射效应
应用-光电倍增管 应用 光电倍增管
B.光电导效应 光电导效应
光电导效应发生在某些半导体材料中，金属没 光电导效应发生在某些半导体材料中，金属没 有光电导效应。 在热平衡条件下，半导体材料具有确定的电 导率 ，它由平衡载流子浓度及其迁移率所决定。 当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收 引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率 增大,这种现象称为光电导效应。 增大,这种现象称为光电导效应。
一、光热效应和光电效应（光子效应）概述 光热效应和光电效应（光子效应）
光电探测器的物理效应通常分为两大类： 光电探测器的物理效应通常分为两大类： 光电效应和光热效应。 光电效应和光热效应。
光电效应： 光电效应：是指单个光子的性质对产生的光电子起 直接作用的一类物理效应。探测器吸收光子后， 直接作用的一类物理效应。探测器吸收光子后，直 接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能 量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。所 量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。 光电效应就对光波频率表现出选择性， 以，光电效应就对光波频率表现出选择性，由于光 子直接与电子相互作用， 响应速度一般比较快。 子直接与电子相互作用，其响应速度一般比较快。
（1）本征光电导的光谱分布 ）
（2）杂质光电导的光谱分布 ） 特点
1、光电导体的灵敏度 、
灵敏度：在一定光强下，光电导的强弱
表示方法（ ） 表示方法（2）
使用光电增益G 使用光电增益G表示
G = βτ / tL
l2 tL = = µε µU l
U G = β(τnµn +τ pµp ) 2 l
1、非平衡载流子寿命越长，迁移率越 、非平衡载流子寿命越长， 光电导的灵敏度就越高。 大，光电导的灵敏度就越高。 2、光电导体的灵敏度与电极间距L的平 、光电导体的灵敏度与电极间距 的平 方成反比。 方成反比。
3、光电发射的红限 、
光电发射效应发生的条件为：ν ≥
Eϕ h ≡ν c
hc 用波长λ 用波长λ表示时有： λ ≤ ≡ λc Eϕ
νc和λc分别称为产生光电发射的入射光波的截止频 分别称为产生光电发射的入射光波的截止频 截止波长。 率和截止波长。
h = 6 . 6 × 10 − 34 J ⋅ S = 4 . 13 × 10 − 15 eV ⋅ s c = 3 × 10 14 µm/s = 3 × 10 17 nm/s
光电导的两种类型
1、直线性光电导：光电导与光强成线性关系， 、直线性光电导：光电导与光强成线性关系， 等材料； 低光强下） 如Si, Ge, PbO等材料；（低光强下） 等材料 2、抛物线性光电导：光电导与光强的平方根 、抛物线性光电导： 成正比。 高光强下） 成正比。（高光强下）
∆n = αI
称为光电转换因子。 称为光电转换因子。
光电检测技术简介
光电检测技术简介
光电检测技术简介
光电检测技术简介
光电检测技术简介
光电检测器件分类 按工作波段分： 按工作波段分： 紫外光探测器、可见光探测器、 紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器 按应用来分： 按应用来分： 换能器 将光能转换成电能 探测器 将光信号转换成电信号 非成像型：光电倍增管、 非成像型：光电倍增管、光敏二极管 成像型： 成像型： CCD
§2.3
光电探测器的物理效应 ——光电效应 ——光电效应
光电检测技术简介
光电检测技术是光电技术中最核心的部分， 光电检测技术是光电技术中最核心的部分， 是光电技术中最核心的部分 是专门研究用光电的方法进行各种检测 变换、 检测、 是专门研究用光电的方法进行各种检测、变换、 处理的原理和方法的技术。它包括各类光电传感 处理的原理和方法的技术。它包括各类光电传感 检测器件、检测电路及其与微机接口、 检测器件、检测电路及其与微机接口、光电信号 各种变换形式及各种检测技术与方法等。 各种变换形式及各种检测技术与方法等。 光电检测技术是以激光、光纤等现代光电子 光电检测技术是以激光、光纤等现代光电子 是以激光 器件作为基础，光电检测器接收被检测物体的光 接收被检测物体的 器件作为基础，光电检测器接收被检测物体的光 并将其转换为电信号， 辐射并将其转换为电信号 由输入电路、 辐射并将其转换为电信号，由输入电路、放大滤 波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理， 波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理， 最终显示输出所需要的检测物理参数。 最终显示输出所需要的检测物理参数。
r
对于直线性光电导体材料而言，其值为1； 对于直线性光电导体材料而言，其值为 ； 对于抛物线性光电导材料而言，其值为1/2 对于抛物线性光电导材料而言，其值为
公式计算可得出，在t= τ时，光电流上升到 公式计算可得出， 时 饱和值的（1-1/e），或下降到饱和值的1/e。 饱和值的（ ），或下降到饱和值的 。 ），或下降到饱和值的 定义t= 为光电流的 为光电流的弛豫时间 定义t= τ为光电流的弛豫时间
外光电效应， 外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子 逸出物质的表面， 逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中 的光电子流。 的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧 化物。 化物。 内光电效应, 内光电效应 , 是指受光照而激发的电子在物质 内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。 内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。 这种效应多发生于半导体内。 这种效应多发生于半导体内。 外光电效应和内光电效应的主要区别在于： 外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受 主要区别在于 光照而激发的电子， 光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光 电子流，而后者则在物质内部参与导电。 电子流，而后者则在物质内部参与导电。
1、斯托列托夫定律（光电发射第一定律） 斯托列托夫定律（光电发射第一定律）
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极 的饱和光电发射电流I 的饱和光电发射电流Ik与被阴极所吸收的光 通量Φ 通量Φk 成正比，即
Ik = SkΦk
式中，S 式中，Sk 是表征光电发射灵敏度的系数。 这个关系式是用光电探测器件进行光度测 量，光电转换的一个最重要的依据。
光热效应：探测元件吸收光辐射能量后， 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直
接引起内部电子状态的改变， 接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变 为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升， 为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升， 温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物 理性质发生变化。 理性质发生变化。 特点： 特点： 1、光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。 光热效应对光波频率没有选择性。 理论上，光热效应对光波频率没有选择性 光热效应对光波频率没有选择性 2、在红外波段上，材料吸收率高，光热效应更强 烈，所以广泛用于对红外辐射的探测 广泛用于对红外辐射的探测。 广泛用于对红外辐射的探测 3、温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响 响 应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的 应速度一般比较慢 影响。
A.光电发射效应 光电发射效应
在光照下，物体向表面以外空间发射电子(即光 电子)的现象，称为光电发射效应 光电发射效应。能产生光电发 光电发射效应 射效应的物体，称为光电发射体。 光电发射体。 光电发射体 具有能量hν的光子，被物质（金属）吸收后激发 出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表 面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发 射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。
1240 λ c ( nm ) = E ϕ ( eV )
功函数小的发射体才 能对波长较长的光辐射产 生光电发射效应。 生光电发射效应。
4、光电发射的瞬时性 、
表现：光电发射的延迟时间不超过3*10 表现：光电发射的延迟时间不超过3*10-13s 的数量级。 原因：光电发射过程不牵扯到电子在原子 内迁移到亚稳态能级的物理过程。
U 增益： 增益： G = βτµ 2 l
矛盾
弛豫时间越短，则定态灵敏度越低； 弛豫时间越短，则定态灵敏度越低； 定态灵敏度愈高，弛豫时间也就越长； 定态灵敏度愈高，弛豫时间也就越长；
3、光电导的光谱分布 、
光电导效应有本征型 非本征型之分。 光电导效应有本征型和非本征型之分。 本征型和 之分 当光子能量大于材料禁带宽度时， 当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的 电子激发到导带，在价带中留下自由空穴， 电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从 而引起材料电导率的增加，这就是本征光电导 而引起材料电导率的增加，这就是本征光电导 效应。 效应。 若光子能量激发杂质半导体中的施主或者受主， 若光子能量激发杂质半导体中的施主或者受主， 使它们产生电离， 使它们产生电离，产生光生自由电子或自由空 从而引起材料电导率的增加， 穴，从而引起材料电导率的增加，这种现象就 非本征光电导效应。 是非本征光电导效应。
2、光电导的弛豫
光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到 光照到物体后，光电导逐渐增加， 定态。光照停止后， 定态。光照停止后，光电导在一段时间内逐 渐消失， 渐消失，这种现象表现了光电导对光强变化 反应的快慢， 反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是 弛豫时间。 弛豫时间。 从实际应用将讲， 从实际应用将讲，其决定了在迅速变化光强 能否有效工作。从光电导的机理看， 下，能否有效工作。从光电导的机理看，弛 豫表现为在光强变化时， 豫表现为在光强变化时，光生载流子的积累 和消失过程。 和消失过程。