6.1光电效应与光电转换元件（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块六 光电传感器及其应用 课题一 光电效应与光电转换元件 任务目标 ★ 掌握光电传感器的基本原理； ★ 了解内光电效应和外光电效应； ★ 掌握常用光电转换元件的结构与工作原理； ★ 掌握光电转换元件的使用方法。 任务：全自动声光控制电路的设计 一、光电传感器概述 光电传感器是以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，其基本结构如图6-1所示。光源产生光通量，光通量的参数受被测量控制，然后由光电器件接收转变成电参数，经过信号处理成为可用信号输出。由此可见，光电传感器由光路及电路两大部分组成。光路部分实现光信号参量受被测信号控制或调制，电路部分完成光电转换和使被测信号成为可用信号输出。 图6-1 光电传感器基本结构框图 光电传感器中的光源可采用白炽灯、气体放电灯、激光器、发光二极管，以及能发射可见光谱、紫外线光谱和红外线光谱的其他器件。此外还可采用X射线及同位素放射源，这时一般需要把辐射能变成可见光谱的转换器。 光路系统中常用的元件有透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等。主要是对光参数进行选择、调整和处理。 光电转换元件常用的有真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管及光电三极管等。作用是检测照射在其上的光通量。选用何种型式的元件决定于被测参数、所需的灵敏度、反应的速度、光源的特性及测量环境和条件等。 大多数情况下，光电器件输出电信号较小，需设置放大器。对于物理量变化缓慢的被测对象，在光路系统中常采用光调制，因而放大器中有时包含相敏检波及其他运算电路，对信号进行必要的加工和处理。 光电传感器具有反应速度快，结构简单，较高的可靠性，能实现非接触测量等一系列优点，已成为工农业生产、科学研究和军事中的十分有效的工具，深入到人们生活的各个角落。 二、光电效应 光电传感器是一种将光变化转换为电变化的传感器。其物理基础是光电效应。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，金属或金属氧化物内部的电子逸出其表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 根据爱因斯坦的光子假设，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由下式确定 （6-1） 式中 ——为普朗克常数， ； ——光的频率（ ）。 物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A时，电子逸出物体表面，产生光电子发射。考查一个电子的逸出情况，光子能量 必须超过逸出功A，超过部分的能量转换为逸出电子的动能。 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A。不同的物质具有不同的A，当光子的能量恰好等于逸出功A，有 （6-3） 式中 ν0——红限频率或光频阀值。 当光线频率低于ν0 ，光子的能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于的入射光，光强度再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于，即使光线微弱，也会有光电子射出来。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强越大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无须积累能量的时间，所以光照射后，立刻有光电子发射。根据测量结果，这时间不超过10-9s，即使入射光照度非常微弱，开始照射后，也会立即有光电子发出。 光电子的初动能决定于入射光的频率。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负向截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。 2．内光电效应 光照射在半导体上，使其电导率发生变化，或产生光电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应两类。 图6-2 电子能级示意图 （1）光导效应 当光照射到光电导体上时，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。 ≥ ≥ 绝大多数的高电阻率半导体在受到光照射时，电子吸收光子能量后，光能使电子从价带受激发而跃迁至导带，从而形成自由电子。与此同时，价带也会相应地形成自由空穴，电子和空穴统称为载流子。载流子在端电压作用下形成光电流。产生电阻率降低而易于导电的现象，这种现象称为光导效应。光敏电阻是典型的基于光导效应的光电元件。 除金属外，大多数的绝缘体和半导体都有光导效应，其中以半导体尤为显著。这里没有电子向外发射，仅改变物质内部的电阻。 当光照射光敏电阻时，其导电性增加，电阻值下降，且入射光越强，阻值也变得越低。入射光的强弱，导致