物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0 时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子 要想逸出，光子能量hv必须超过逸出功A0 ，超过部分的能 量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理
（4-2）
式中 m——电子质量，单位g； v0——电子逸出速度，单位m/s。
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第一节 光电效应
接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引 起光电动势，这就是结光电效应，以PN结为例，光线照射 PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃 迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下， 被光激发的电子场向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外 侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
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。
众所周知，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：
（4-1）
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第一节 光电效应
式中 h ——普朗克常数，6.626×10-34J ·s； v——光的频率，单位s-1。
第一节 光电效应
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由式（4-2）可知： （1）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A0 。不同的物质具有不同的逸出功，这 意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子的能量不足以使物 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。 （2）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。
第四章 光电式传感器
第一节 光电效应 第二节 外光电效应的光电器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光电传感器应用举例
第一节 光电效应
光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。 它的物理基础就是光电效应。光电效应分为外光电页 下一页 返回
第一节 光电效应
式中v、λ分别为入射光的频率和波长。 也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长
限λ0，只有波长小于γ0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和光敏二极 管、三极管。 （1）势垒效应（结光电效应）
1．光电导效应
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第一节 光电效应
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。
当光照射到光电导体上，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，光电导材料价带上的电子将被激 发到导带上去，如图4-1所示，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。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
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第二节 外光电效应的光电器件
下面研究光电管的基本特性。 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。由于篇幅限制，本 书仅对最主要的特性作简单叙述。 2．主要性能 （1）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。真空光电管和 充气光电管的伏安特性分别如图4-3 (a)和(b)所示。它是 应用光电传感器参数的主要依据。 （2）光电管的光照特性
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第一节 光电效应
（3）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 电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止压电，而且 截止电压与入射光的频率成正比。
二、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率1/R发生变化，或产生 光生电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又可分为以 下两类：
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第二节 外光电效应的光电器件
利用物质在光的照射下发射电子的所谓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。
一、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两类。两者结构相似，如
图4-2所示。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圆形，置于玻璃管 的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸 出的电子，在外力电场作用下形成电流I，如图(b)所示。
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第一节 光电效应
（2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会
产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电 子空穴对时，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 射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。 下面几节将介绍利用外光电效应和内光电效应制作的光电器 件。
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第二节 外光电效应的光电器件
其中，充气光电管内充有少量的惰性气体如氩或氖，当充气 光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气 体的原子发生碰撞而使气体电离，因此增大了光电流，从而 使光电管的灵敏度增加；但导致充气光电管的光电流与入射 光强度不成比例关系，因而使其具有稳定性较差、惰性大、 温度影响大、容易衰老等一系列缺点。目前由于放大技术的 提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真空式 光电管的灵敏度也正在不断提高。在自动检测仪表中，由于 要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电 管。