光电式传感器汇总
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的现象叫做光生伏特效应（光电池和光敏二极管、光敏三 极管）。
①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。
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，在阻挡层内电场的作用下，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。
保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之 间的关系叫光电管的光谱特性。
4、等效噪声功率NEP 即能够产生于传感器输出噪声电压或电流相等的入
射光的功率大小。反映最小可探测的光的功率。
四、外光电效应器件
（一）、光电管及其基本特性 1. 结构与工作原理
光电阴极
光窗 光
阳极
当光照射在阴 极上时，中央阳极 可以收集从阴极上 溢出的电子，在外 电场作用下形成电 流I。
阳极 阴极
阳 极 电流 /A
真空光电管
负载线
1 M 5 M 10 M
4
3
2
1
0
40
80
0.1 lm
0.0 5lm 0.0 2lm 120
在一定的光照 射下，对光电器件 的阳极所加电压与 阳极所产生的电流 之间的关系称为光 电管的伏安特性。
阳极 电压/V
充气光Leabharlann Baidu管:
充气光电管的电压-电
流特性不具有真空光电管的
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压， 而且截止电压与入射光的频率成正比。
二、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生
变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。 1、 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光
子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸
出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，
超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守
hv
1 2
mv02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：
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。
0 20 40 60 80 100
空光电管差。所以在测试中
阳极电压/V
一般选用真空光电管。
（2） 光电管的光照特性 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为光电管的光照特性。
IA/ μA
100
75
2
50
25
1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Φ/1m
（3）光电管光谱特性
②侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载 流子浓度梯度而产生侧向光电效应。
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，因而载流子就要扩散。如 果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正 电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部 分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光 电位置敏感器件（PSD）。
三、基本概念
1、 暗电流
光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子 发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流 输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。
IN 2eIdf
Id暗电流平均值 ， f 频带宽度
2、响应度
光传感器输出的电压或电流与光通量之比。
RI
IS
RV
VS
3、光谱 光传感器输出与输入光波长的关系曲线。
第一节 光电效应与光电器件
一、 外光电效应
定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应,亦称光电发射效应(光电管、光电 倍培管 ).
每个光子的能量： E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν—光的频率（s-1）
νλ=3×1010cm / s
可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。
光电子能否产生，取决于光电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， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 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。
过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效应（光敏电阻）。
过程： Eg
导带 禁带 价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
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
h hc 1.24 Eg
2、 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势
负载线
那种饱和特性,而是达到充气
离子化电压附近时,阳极电流
4 M 10 M
40
0.025lm 急速上升,如图所示。急速上
阳极电流 /A
30
0.02lm 升部分的特性就是气体放大
0.015lm 特性,放大系数为5~10。充气
20
0.01lm 光电管的优点是灵敏度高,但
10
其灵敏度随电压显著变化的 0.05lm 稳定性、频率特性等都比真
充气光电管内充有少量 的惰性气体，如氩、氖，当 充气光电管的阴极被光照射 后，光电子在飞向阳极的过 程中，和气体的原子发生碰 撞使气体电离。因此增大了 光电流，从而使灵敏度增加， 但导致充气光电管的光电流 与入射光强度不成比例，因 而稳定性较差。
2. 主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性
（1） 光电管的伏安特性
第七章 光电式与光导式传感器
第一节 光电效应与光电器件 第二节 光纤传感器
0.01
波长/μm
0.05 0.1 极远紫外
1 0.5 可见光 近红外
5 10 远红外
光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线
①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。
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，在阻挡层内电场的作用下，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。
保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之 间的关系叫光电管的光谱特性。
4、等效噪声功率NEP 即能够产生于传感器输出噪声电压或电流相等的入
射光的功率大小。反映最小可探测的光的功率。
四、外光电效应器件
（一）、光电管及其基本特性 1. 结构与工作原理
光电阴极
光窗 光
阳极
当光照射在阴 极上时，中央阳极 可以收集从阴极上 溢出的电子，在外 电场作用下形成电 流I。
阳极 阴极
阳 极 电流 /A
真空光电管
负载线
1 M 5 M 10 M
4
3
2
1
0
40
80
0.1 lm
0.0 5lm 0.0 2lm 120
在一定的光照 射下，对光电器件 的阳极所加电压与 阳极所产生的电流 之间的关系称为光 电管的伏安特性。
阳极 电压/V
充气光Leabharlann Baidu管:
充气光电管的电压-电
流特性不具有真空光电管的
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压， 而且截止电压与入射光的频率成正比。
二、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生
变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。 1、 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态
光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光
子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸
出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，
超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守
hv
1 2
mv02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：
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。
0 20 40 60 80 100
空光电管差。所以在测试中
阳极电压/V
一般选用真空光电管。
（2） 光电管的光照特性 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为光电管的光照特性。
IA/ μA
100
75
2
50
25
1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Φ/1m
（3）光电管光谱特性
②侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载 流子浓度梯度而产生侧向光电效应。
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，因而载流子就要扩散。如 果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正 电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部 分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光 电位置敏感器件（PSD）。
三、基本概念
1、 暗电流
光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子 发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流 输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。
IN 2eIdf
Id暗电流平均值 ， f 频带宽度
2、响应度
光传感器输出的电压或电流与光通量之比。
RI
IS
RV
VS
3、光谱 光传感器输出与输入光波长的关系曲线。
第一节 光电效应与光电器件
一、 外光电效应
定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应,亦称光电发射效应(光电管、光电 倍培管 ).
每个光子的能量： E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν—光的频率（s-1）
νλ=3×1010cm / s
可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。
光电子能否产生，取决于光电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， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 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。
过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效应（光敏电阻）。
过程： Eg
导带 禁带 价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
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
h hc 1.24 Eg
2、 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势
负载线
那种饱和特性,而是达到充气
离子化电压附近时,阳极电流
4 M 10 M
40
0.025lm 急速上升,如图所示。急速上
阳极电流 /A
30
0.02lm 升部分的特性就是气体放大
0.015lm 特性,放大系数为5~10。充气
20
0.01lm 光电管的优点是灵敏度高,但
10
其灵敏度随电压显著变化的 0.05lm 稳定性、频率特性等都比真
充气光电管内充有少量 的惰性气体，如氩、氖，当 充气光电管的阴极被光照射 后，光电子在飞向阳极的过 程中，和气体的原子发生碰 撞使气体电离。因此增大了 光电流，从而使灵敏度增加， 但导致充气光电管的光电流 与入射光强度不成比例，因 而稳定性较差。
2. 主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性
（1） 光电管的伏安特性
第七章 光电式与光导式传感器
第一节 光电效应与光电器件 第二节 光纤传感器
0.01
波长/μm
0.05 0.1 极远紫外
1 0.5 可见光 近红外
5 10 远红外
光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线