光电式和光导式课件.ppt

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1、第七章光电式和光导式传感器光电式:基于光电效应光导式:基于光在光纤中传播时与外界因素调制而引起光的特性和光纤形态变化第一节光电效应和光电器件光电效应分为外光电效应和内光电效应。一、外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面而向外发射的现象称为外光电效应。向外发生的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。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，因此对某种材料而言有一个频率限（光频阀值），当入射光的频率低于此频率

2、限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。红限波长：当入射光的频率成分不变时，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，逸出的电子数也越多。逸出表面的光电子具有初始动能，即光电器件，即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为了使光电流为零，必须加负的截至电压，而且截至电压与入射光的频率成正比。二、内光电效应当物体受到光照时，其电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效

3、应又可分为以下两大类：1.光电导效应；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，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。——光敏电阻物理过程：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，光电导体材料价带上的电子将被激发到导带上去，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。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg电子能量E电子能级示意图为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度：材料

4、的光电导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光临界波长。只有波长小于λc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。——光电池、光敏二极管、光敏三极管（1）势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射到其接触区域时，便引起光电动势，即结光电效应。以PN结为例：光线照射=>光子能量>禁带宽度=>电子跃迁=>电子空穴对=>电子移向N区外侧（空穴移向P区外侧）

5、=>P区带正电，N区带负电=>光电动势。（2）侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生浓度梯度而产生光电势，称这种现象为侧向光电效应。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，未被光照部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。光电式传感器的分类：按照用途光电管、光电倍增管光敏电阻、光导管光电池

6、、光电晶体外光电效应器件光电导效应器件光生伏特效应器件按传输方式直射式反射式透镜式光电器件有反射镜式光电器件无反射镜式光电器件三、外光电效应器件1.光电管：有真空光电管和充气光电管光照在阴极，阳极收集阴极逸出的电子，在外电场作用下形成电流（2）主要性能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。①光电管的伏安特性：在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳（阴）极所产生的电流之间的关系。注：真空光电管一般工作在饱和部分。②光电管的光照特性：指当光电

7、管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。②光电管的光谱特性：由于光阴极对光谱有选择特性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。对于光阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率，用于不同的光谱范围。光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极——光谱响应范围。2.光电倍增管光电倍增管的工作原理建立在光电

8、发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。结构：(1)光阴极：由半导体光电材料锑铯制成；(2)次阴极（倍增电极）：在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级(3)阳极：是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。常见的几种光电倍增管结构图主要参数①倍增系数:等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。倍增系数与所加电压有