光电器件

－光的频率（ s -1 )
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逸出电子的动能
若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服 逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发 射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν 必须超 出逸出功A0 ，超过部分的能量，表现为逸出电子 的动能。即(爱因斯坦光电效应方程)
1 2 h m u0 A0 2 式中： m -电子质量 u0 - 电 子 逸 出 速 度 。
0.5
2
光源（发光器件） 1、热辐射光源－－钨丝白炽灯
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽 灯的辐射光谱是连续的 发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何 光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对 接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘 钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。
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1.2 内光电效应
受光照的物体导电率发生变化，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，而引起材料电阻率变 化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件 有光敏电阻等。
2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生 一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应 的器件有光电池和光敏晶体管等。
h c /λ=1.8 eV
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通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作 GaAs1-xPx ， x 代表磷化镓的比例，当 x ＞ 0.35 时，可得 到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。 与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。
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1.1 外光电效应
光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射 的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能 力由下式确定。
E h 式中： h 6.626 10-34 (J s)为 普 朗 克 常 数
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（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子 激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、 氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子 激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连 续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外 到远红外的频谱区域。
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（3）半导体激光器 砷化镓激光器特点：效率高、体积小、重量轻、 结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以 及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准 敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激 光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。 （4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染 料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。 它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内 调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他 激光器不能起的作用。
LED材料
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP 波长/nm 340 480 565,680 900 920 材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx InPxAs1-x InxGa1-xAs 波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
8
6 4 2 0
阳极与末级倍增极间的电压/V
光电管的伏安特性
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（2） 光电管的光照特性
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为光电管的光 照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极 光电管的光照特性，光电流I IA/ μA 与光通量成线性关系。 曲线2为锑铯阴极的光 100 电管光照特性，它成 75 2 非线性关系。光照特 50 性曲线的斜率（光电 1 25 流与入射光光通量之 间比）称为光电管的 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m 灵敏度。
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（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是人类发明的第一 台激光器。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器 （简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目 前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应 用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器 还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
光电阴极 光窗
光
阳极
光电管的结构示意图
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普通光电管
在一个真空泡内装有两个电 极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁 上做成，其感光面对准光的照 射孔。 当光线照射到光敏材料上， 便有电子逸出，这些电子被具 有正电位的阳极所吸引，在光 电管内形成空间电子流，在外 电路就产生电流。
I/mA
GaAsP(红)
GaAsP(绿) -5 0 1 2
-10
U/V
8
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同 的峰值波长λp 。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的 宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色 越纯。
GaP λ p=565nm GaAsP λ p=670nm GaAs λ p=950nm
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三、光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能 量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于 光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两 大类
1、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外 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。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
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光电导效应的过程
当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大 于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入 导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增 加，从而使电导率变大。
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
Eg
禁带 价带
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1.3
光生伏特效应
在光线作用下，物体产生一定方向电动势的 现象称为光生伏特效应。 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫 化镉、砷化镓等。 例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生 电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向 P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压， 即光生电动势。 利用该效应可制成各类光电池。
4
3、电致发光器件－－发光二极管LED由半导体PN
结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、 重量轻，因此获得了广泛的应用。
在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N 区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向 电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P 区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里 的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区 里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能 量，因而有发光现象。
21） 光电管的伏安特性 在一定的光照射下， 对光电器件的阴极所加 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。 光电管的伏安特性 如图所示。它是应用光 电传感器参数的主要依 据。
200
IA/ μA
12 10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150
3
2、气体放电灯
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及 放电条件有关。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器 中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射 波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用 作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂， 由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电 谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广， 通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的 波长，如，照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。
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光电效应
将光量转换为电量的器件称为光电传感 器或光电元件。光电式传感器的工作原理是： 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感 器的工作基础是光电效应。
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2、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， 它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内 光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类： （1） 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态 过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电 器件有光敏电阻。
5
电子和空穴复合，所释放的能量 Eg 等于 PN 结的禁 带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用 hν 表示， h为普朗克常数，ν为光的频率。则 hc c h Eg h Eg E

g
普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s； Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。 hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。 可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制 作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于
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1.4
光电器件
光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应 制成的光电转换器件。
光电管
光电倍增管
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光电管
光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管 和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴 极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极 装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用 金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。
相 对 0.8 灵 敏 0.6 度 0.4
0.2 0
1.0
GaAsP λ p=655nm
600
700
800
900
1000
发光二极管的光谱特性
λ/nm 9
4、激光器
一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重 要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频 波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
1
0.01
波长/μ m
0.05 极远紫外
0.1
0.5 远 近 可见光 紫 紫 外 外
1
近红外
5
10
远红外
106
波数/cm-1
频率/Hz
5×105 1016
105
5×104 1015
104
5×103 1014
103
3×1018 100
5×1015 10
5×1014 1
5×1013
光子能量/eV
50
5
7
发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随 材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。 图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为 1.7V 开启，绿色约为2.2V。 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般 而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全 起见，使用时反向电压应在5V以下。
E=hν
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根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子 的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必 须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过 部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应 多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金 属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理
1 2 h m 0 A0 2
一、光谱
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。 光谱分布如图所示。