大于物体表面的电子逸出功。 第8章光电传感器
e
第8章 光电式传感器 8.1.2 内光电效应
传感与检测技术
1）光电导效应
☻ 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。
• 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下
电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状 态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空 穴浓度增大引起电阻率减小。
➢ 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子
的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生光电子发射。
➢ 电子被带有正电的阳极 吸引在光电管内形成电 子流，电流在回路电阻 RL上产生正比于电流大 小的压降。
URLI光 强 第8章光电传感器
第8章 光电式传感器
传感与检测技术
8.2.1 光电管
• 光电管主要用于分析仪器和各种自 动控制装置；如，分光光度计、光电 比色计等 。
式中：
h —— 普朗克常数 ( J.S )
—— 光的频率（Hz）
1/ 波长短，频率高，能量大。
➢ 入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比 。
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器 传感与检测技术
8.1.1 外光电效应
➢ 每个光子具有的能量可由能量守恒定律表示为
1 2
Eh 12mv02 A (爱因斯坦光电效应方程)
第8章 光电式传感器 8. 1 光电效应
传感与检测技术
• 光敏器件主要利用各种光电效应
☺ 光电效应可分为：
➢ 外光电效应
光电导效应 ➢ 内光电效应
光生伏特效应
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器
传感与检测技术
8.1.1 外光电效应
☻ 在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。
每个光子具有能量 E h
式中： K —— 常数 N —— 倍增极数
光电倍增管不能直接受强光照 射,否则会损坏.通常密封使用。
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器
传感与检测技术
8.2.2 光电倍增管
➢ 增益变化与外加电压（电源）有关
G /GN ( U d/U d)
➢ 上式可见，倍增级外加电压Ud的变化将引起光电倍增管增益 的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须
• 为使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量应大于禁带 宽度的能量E0＞Eg。
• 基于光电导效应的光电器件有 光敏电阻。
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器 传感与检测技术
2） 光生伏特效应
☻ 光生伏特效应是半导体材
+
料吸收光能后，在PN结上
产生电动势的效应。
光源
-+
-
P - +N
-+
➢ 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？
• 光敏器件种类很多，在自动检测及控制系统、计算机 系统中应用非常广泛。
• 普通的光电器件包括： 光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、 光电池、光电倍增管、光电耦合器等。
被
测
光信号
量
光电传感器
第8章光电传感器
电信号
第8章 光电式传感器 概述
传感与检测技术
光敏管
光电开关
光敏电阻
光
电
鼠
光栅
标
第8章光电传感器
传感与检测技术
8.2.2 光电倍增管
➢ 光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了 许多倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几 百～上千伏的高压，每个倍增极间分压有100～200V；
➢ 光电倍增管的电流增益很大在105～106之间。倍增极外加 电压Ud与增益G的关系近似为：
G KUdN
空穴
第8章 光电式传感器
传感与检测技术
2） 光生伏特效应
处于反偏时的P-N结（给P-N结加电场） -
+
➢ 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； ➢ 有光照时，产生光生电子—空穴对，在外电场作用下，
光生电子→N，空穴→P 运动，形成光电流Ig。
☻ 光敏二极管通常加反向电压。
光源
• 电流方向与反向电流一致，
电压就是光生电动势。
光源
➢ 基于这种效应的器件有光 +
-+
-
电池。
P - +N -+
• 二极管PN结开路电压有
电子
U 0kh T c P IS ， 光 生 电 压 与 光 功 率 P 、 波 长 成 正 比 c光 速 、 h普 朗 克 常 数 、 k、 ， 为 常 数 第8， 章T 光绝 电对 传感温 器度 ， IS暗 电 流
m
v
2 0
为一个电子逸出的动能（能量）； m 为电子质量 ，
ν0电子逸出物体表面时的速度； A 为电子的逸出功。
➢ 光照射物体时电子吸收入射光子的能量 ，当
物体吸入的能量超出物体逸出功A 时，电子
就会逸出物体表面，产生光电子发射。 ➢ 超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 光电子
光照射
➢ 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否
有极好的稳定性。
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器
第8章光电传感器第8章 光电式传感器来自主要内容：传感与检测技术
8.1 光电效应
8.2 光电器件 光电管、光电倍增管、光敏电阻、 光电晶体管、光电池、色敏、 其他光电器件
8.3 光栅传感器
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器 概述
传感与检测技术
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成 电信号。具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的 器件称光敏器件。光电传感器是物性型传感器。
电子管
光电管外壳不透明
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第8章 光电式传感器 8.2.2 光电倍增管
传感与检测技术
➢ 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常 常使用光电倍增管。
➢ 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固 体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。
第8章光电传感器
第8章 光电式传感器
光照强光电流越大。
• 具有这种性能的器件有：
光敏二极管、光敏晶体管
Ig
• 从原理上讲，不加偏压的光
电二极管就是光电池。
第8章光电传感器
-
P-
电子
E
+
+N
+
空穴
第8章 光电式传感器
8.2 光电器件
传感与检测技术
8.2.1 光电管
➢ 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴 极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料；
下面分两种情况讨论：
• 不加偏压时的PN结 • 处于反偏时的PN结
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第8章 光电式传感器
2） 光生伏特效应
传感与检测技术
不加偏压P-N结
➢ 当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可激
发出电子——空穴对，在P-N结内电场作用下空穴移向P
区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个