传感器原理及其应用 第8章 光电式传感器1

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第8章光电式传感器

第8章光电式传感器Photo-electric sensors

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第8章光电式传感器

8.1光电效应(Photoelectric effect ) 8.1光电效应光电效应(光电效应：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。包括外光电效应(External Photoelectric effect )、内光电效应(internal Photo-electric effect)。内光电效应又分为光电导效应( Photoconduction effect )、光生伏特效应( Photo-voltaic effect ) 8.1.1外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体表面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元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

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第8章光电式传感器紫外线

紫外管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。

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第8章光电式传感器光子是具有能量的粒子，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)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 hν= mυ 2

2 0

+ 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。武汉理工大学机电工程学院

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第8章光电式传感器 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。红限频率为：ν 0= A0/ h对应的波长限为：

λ0= hc/ A0

式中：c为真空中的光速，c ≈ 3×108m/s。 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。武汉理工大学机电工程学院

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第8章光电式传感器

注意！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。 8.1.2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。

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第8章光电式传感器过程：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 hc 1 .24 hν==≥ Egλλ式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。武汉理工大学机电工程学院

E

g

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第8章光电式传感器材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0,只有波长小于λ0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。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。光生伏特效应有两种：结光电效应 (也称为势垒效应 )和横向光电效应(也称为侧向光电效应)。

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第8章光电式传感器 1)结光电效应如图，由半导体材料形成的PN结，在P区的一侧，价带中有较多的空穴，而在N区的一侧，导带中有较多的电子。由于扩散的结果，使P区带负电、N区带正电，它们积累在结附近，形成PN结的自建场，自建场阻止电子和空穴的继续扩散，最终达到动态平衡，在结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。在入射光照射下，当光子能量hv大于光电导材料的禁带宽度Eg时，就会在材料中激发出光生电子 -空穴对，破坏结的平衡状态。在结区的光生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴，在结电场的作用下，电子向 N区移动，空穴向 P区移动，从而形成光生电流。这些可移动的电子和空穴，称为材料中的少数载流子。在探测器处于开路的情况下，少数载流子积累在PN结附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场，也就是光生电动势。武汉理工大学机电工程学院

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第8章光电式传感器 2)横向光电效应当

半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子的能量产生电子-空穴对，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。这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD),本章第4节将重点讨论。

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8.2常用光电转换器件8.2.1外光电效应器件利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 1.光电管及其基本特性 1)结构与工作原理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。武汉理工大学机电工程学院

光电阴极

光窗光

阳极

光电管的结构示意图

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第8章光电式传感器 2)基本特性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μ电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系 120μlm 12称为光电管的伏安特性。光 100μlm 10电管的伏安特性如图所示。 80μlm 8它是应用光电传感器参数的 60μlm 6主要依据。

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