4.4 光敏传感器（1）（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

一、光电效应 光谱 光 波：波长为10—106nm的电磁波 紫外线：波长10—380nm， 波长10—200nm称为极远紫外线， 波长200—300nm称为远紫外线 波长300—380nm称为近紫外线 可见光：波长380—780nm 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。 §4.4 光敏传感器 1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 光电器件的物理基础是光电效应。 光电效应：光照到某些物质上，引起物质的电性质变化。这类光致电变的现象统称为光电效应。 光电效应分为：外光电效应和内光电效应 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （一）外光电效应 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有光电管、光电倍增管等。 光电效应的实验装置示意图 光电效应的伏安曲线 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （一）外光电效应 光子的能量： (8-36) 式中： h =6.626×10-34(J·s) 为普朗克常数； f =光的频率(s-1)。 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （一）外光电效应 (8-37) 式中 m —电子质量； v0 —电子逸出速度； W—逸出功。 爱因斯坦光电效应方程 若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功W 时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hf 必须超过逸出功W，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，即 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （二）内光电效应 ①光电导效应：在光照作用下，半导体材料中电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 P型半导体的共价键结构 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （二）内光电效应 ①光电导效应 临界波长 λ0 f0 = c/ λ0 当λ≤λ0 ，即f ≥ f0 时，才能发生光电导效应 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 §4.4 光敏传感器 一、光电效应 （二）内光电效应 ②光生伏特效应 在光照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。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 §4.4 光敏传感器 4.4.2 典型光敏元件及特性 一、外光电效应元件（光电管、光电倍增管） 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有光电管、光电倍增管等。 光电效应的实验装置示意图 光电效应的伏安曲线 国产光电管的技术参数 11 光电倍增管的优点： 灵敏度高，比光电管高出几万倍以上，输出线性度好，频率特性好； 缺点： 体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，使用不方便。 因此它一般用于微光测量和要求响应速度很快的场合。 工作特点 §4.4 光敏传感器 4.4.2 典型光敏元件及特性 二、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、质量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。 §4.4 光敏传感器 二、光敏电阻 (一)光敏电阻的原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，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。