5.1光电效应与光电元件（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf （或hν）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 5.1 光电效应及光电元件 光电效应的分类 第一类：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，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。 第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。 1）外光电效应 a)光电管 b)外光电效应示意 1－阳极a 2－阴极k 3－石英玻璃外壳 4－抽气管蒂 5－阳极引脚 6－阴极引脚 7－金属表面 8－光子 9－光致发射电子 金属板 “光电子” 爱因斯坦光电方程 电子逸出金属表面的速度v可由 能量守恒定律确定： 式中 m——电子质量； W——金属光电阴极材料的逸出功； f——入射光的频率。 由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。 几种金属逸出功的近似值(eV) 根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子吸收。电子吸收光子的能量hf（有时也用hν表示）后，能量增加。如果电子吸收的能量hf足够大，能够克服脱离原子所需要的能量（即电离能量）I和脱离物体表面时的逸出功W，电子就能够离开金属表面，而脱逸出来，称为“光电子”。光电子的逸出方向基本与金属板垂直。 钠 铝 锌 铜 银 铂 2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 - 金 属 束缚 电子 - - 光的频率、波长、光速之间的关系 不同物质的相应的红限波长λ是不同的。在光电技术中，经常使用光的波长，而不是光的频率。光的波长λ与光的频率f、光速c之间的关系为λ=c/f ，c≈3×108m/s。 当hf大于W时，光通量越大，撞击到阴极的光子数目也越多，逸出的电子数目也越多，光电流IΦ就越大。 光速不变 电磁波频谱（光是一种电磁波） 光电管电路及特性 金属阳极a和阴极k封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,当电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。当光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的“光电子”被具有正电压的阳极所吸引,在光电管中形成电流,简称为光电流,光电流IΦ正比于光电子数,而光电子数又正比于光照度。 1 －低照度时的曲线 2－紫外线增强时的曲线 光电倍增管 外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。 因此光电倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。 微弱 光照 紫外光电管 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。可见光较难引起光电子的发射。 火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光，有别于灯光，以及纯粹的高温红外辐射。 紫外线 玻壳用对紫外线透光率较好的石英材料制造 二、基于内光电效应的光电元件 1．光敏电阻 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。 光敏电阻的图形符号： 构成光敏电阻的材料有： 金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量hf大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。 光敏电阻外形及结构