光电式和光导式
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光照部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。
光电式传感器的分类：
光电管、光电倍增管 按照用途 光敏电阻、光导管 光电池、光电晶体 外光电效应器件 光电导效应器件 光生伏特效应器件
直射式
按传输方式 反射式
透镜式光电器件
有反射镜式光电器件
无反射镜式光电器件
三、外光电效应器件
1.光电管：真空光电管和充气光电管
当入射光的频率成分不变时，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， 逸出的电子数也越多。
1 2 mv 0 逸出表面的光电子具有初始动能 ，即光电 2 器件，即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为
了使光电流为零，必须加负的截至电压，而且截至 电压与入射光的频率成正比。
二、内光电效应
当物体受到光照时，其电阻率发生变化，或产生光生
电动势的效应叫内光电效应。
内光电效应又可分为以下两大类：
1. 光电导效应：
在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到
自由状态，从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
电子能量E 导带 Eg 禁带 价带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带
光照在阴极，阳极收集阴极逸出的电子，在外电场作用下形成电流
（2）主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、
光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来
描述。
①光电管的伏安特性： 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压 与阳（阴）极所产生的电流之间的关系。
注：真空光电管一般工作在饱和部分。
光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万 倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。
常见的几种光电倍增管结构图
主要参数 ① 倍Baidu Nhomakorabea系数:等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。
倍增系数与所加电压有关，若电压波动，则倍增系数也波动。
② 光电阴极灵敏度：一个光子
在阴极能打出的平均电子数。
106
2.光电倍增管
光电倍增管的工作原理建立在 光电发射和二次发射的基础上， 获得大的光电流。
结构： (1) 光阴极： 由半导体光电材料锑铯
制成；
(2) 次阴极（倍增电极）： 在镍或
铜 - 铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的， 次阴极多的可达30级 (3)阳极：是最后用来收集电子的，收 集到的电子数是阴极发射电子数的 105 ～ 106 倍。即光电倍增管的放大倍 数可达几万倍到几百万倍。
价电子所占能带
电子能级示意图
物理过程：当光照射到光电导体上，若这个光电导 体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光 电导体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。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 导材料的禁带宽度：
h
②光电管的光照特性： 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。
光照特性曲线的 斜率 ( 光电流与入 射光光通量之间 比 ) 称为光电管的 灵敏度。
③光电管的光谱特性： 由于光阴极对光谱有选择特性，因此光电管对光谱 也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与 光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 对于光阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率， 用于不同的光谱范围。 光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的 光电阴极——光谱响应范围。
第七章 光电式和光导式传感器
光电式:基于光电效应
光导式:基于光在光纤中传播时与外界因
素调制而引起光的特性和光纤形态变化
第一节 光电效应和光电器件
光电效应分为外光电效应和内光电效应。 一、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子
逸出物体表面而向外发射的现象称
为外光电效应。
向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器 件有光电管、光电倍增管等。
1 2 h mv A 0 0 爱因斯坦光电效应方程： 2
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，因此对某种材料而 言有一个频率限（光频阀值），当入射光的频率低于 此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反 之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微 弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频 率”。
hc
12390
A Eg
0
材料的光电导性能决定于禁带宽度，对于一种光
电导材料，总存在一个照射光临界波长。
12390 o ( A) Eg
只有波长小于 λc 的光照射在光电导体上，才能产生
电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
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的 现象叫做光生伏特效应。 ——光电池、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，当光线照射到其接触区 域时，便引起光电动势，即结光电效应。 以 PN 结为例：光线照射 => 光子能量 > 禁带宽度 => 电子 跃迁=>电子空穴对 =>电子移向 N区外侧（空穴移向P区 外侧）=>P区带正电，N区带负电=>光电动势。
（2）侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生浓度梯度
而产生光电势，称这种现象为侧向光电效应。
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，因而载流子要扩散。
如果电子迁移率比空穴大，那么空穴扩散不明显，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
105 104 103
放大倍数
光电倍增管总灵敏度：一个光
子在阳极上产生的平均电子数。 极间电压越高，灵敏度越高；但 极间电压不能太高，太高反而会使 阳极电流不稳。
极间电压/V
25 50 75 100 125
光电倍增管的特性曲线
③暗电流：没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。
原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使 用，使其只对入射光起作用； 暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常可 以用补偿电路加以消除。
本底脉冲：闪烁计数器的暗电流。
光电式传感器的分类：
光电管、光电倍增管 按照用途 光敏电阻、光导管 光电池、光电晶体 外光电效应器件 光电导效应器件 光生伏特效应器件
直射式
按传输方式 反射式
透镜式光电器件
有反射镜式光电器件
无反射镜式光电器件
三、外光电效应器件
1.光电管：真空光电管和充气光电管
当入射光的频率成分不变时，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， 逸出的电子数也越多。
1 2 mv 0 逸出表面的光电子具有初始动能 ，即光电 2 器件，即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为
了使光电流为零，必须加负的截至电压，而且截至 电压与入射光的频率成正比。
二、内光电效应
当物体受到光照时，其电阻率发生变化，或产生光生
电动势的效应叫内光电效应。
内光电效应又可分为以下两大类：
1. 光电导效应：
在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到
自由状态，从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
电子能量E 导带 Eg 禁带 价带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带
光照在阴极，阳极收集阴极逸出的电子，在外电场作用下形成电流
（2）主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、
光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来
描述。
①光电管的伏安特性： 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压 与阳（阴）极所产生的电流之间的关系。
注：真空光电管一般工作在饱和部分。
光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万 倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。
常见的几种光电倍增管结构图
主要参数 ① 倍Baidu Nhomakorabea系数:等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。
倍增系数与所加电压有关，若电压波动，则倍增系数也波动。
② 光电阴极灵敏度：一个光子
在阴极能打出的平均电子数。
106
2.光电倍增管
光电倍增管的工作原理建立在 光电发射和二次发射的基础上， 获得大的光电流。
结构： (1) 光阴极： 由半导体光电材料锑铯
制成；
(2) 次阴极（倍增电极）： 在镍或
铜 - 铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的， 次阴极多的可达30级 (3)阳极：是最后用来收集电子的，收 集到的电子数是阴极发射电子数的 105 ～ 106 倍。即光电倍增管的放大倍 数可达几万倍到几百万倍。
价电子所占能带
电子能级示意图
物理过程：当光照射到光电导体上，若这个光电导 体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光 电导体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。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 导材料的禁带宽度：
h
②光电管的光照特性： 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。
光照特性曲线的 斜率 ( 光电流与入 射光光通量之间 比 ) 称为光电管的 灵敏度。
③光电管的光谱特性： 由于光阴极对光谱有选择特性，因此光电管对光谱 也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与 光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 对于光阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率， 用于不同的光谱范围。 光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的 光电阴极——光谱响应范围。
第七章 光电式和光导式传感器
光电式:基于光电效应
光导式:基于光在光纤中传播时与外界因
素调制而引起光的特性和光纤形态变化
第一节 光电效应和光电器件
光电效应分为外光电效应和内光电效应。 一、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子
逸出物体表面而向外发射的现象称
为外光电效应。
向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器 件有光电管、光电倍增管等。
1 2 h mv A 0 0 爱因斯坦光电效应方程： 2
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，因此对某种材料而 言有一个频率限（光频阀值），当入射光的频率低于 此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反 之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微 弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频 率”。
hc
12390
A Eg
0
材料的光电导性能决定于禁带宽度，对于一种光
电导材料，总存在一个照射光临界波长。
12390 o ( A) Eg
只有波长小于 λc 的光照射在光电导体上，才能产生
电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
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的 现象叫做光生伏特效应。 ——光电池、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，当光线照射到其接触区 域时，便引起光电动势，即结光电效应。 以 PN 结为例：光线照射 => 光子能量 > 禁带宽度 => 电子 跃迁=>电子空穴对 =>电子移向 N区外侧（空穴移向P区 外侧）=>P区带正电，N区带负电=>光电动势。
（2）侧向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生浓度梯度
而产生光电势，称这种现象为侧向光电效应。
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，因而载流子要扩散。
如果电子迁移率比空穴大，那么空穴扩散不明显，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
105 104 103
放大倍数
光电倍增管总灵敏度：一个光
子在阳极上产生的平均电子数。 极间电压越高，灵敏度越高；但 极间电压不能太高，太高反而会使 阳极电流不稳。
极间电压/V
25 50 75 100 125
光电倍增管的特性曲线
③暗电流：没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。
原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使 用，使其只对入射光起作用； 暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常可 以用补偿电路加以消除。
本底脉冲：闪烁计数器的暗电流。