【正文】 理 式中 m— 電子質(zhì)量； v0— 電子逸出速度。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有 光電管 、 光電倍增管 等 。 三 、 光電效應(yīng) 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量 ， 從而產(chǎn)生的電效應(yīng) 。 所注入到 P區(qū)里的電子和 P區(qū)里的空穴復(fù)合 ，注入到 N區(qū)里的空穴和 N區(qū)里的電子復(fù)合 ，這種復(fù)合同時伴隨著以 光子形式放出能量 ，因而有發(fā)光現(xiàn)象。 氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈 1/2— 1/3。 氣體放電燈 定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈 。 第一節(jié) 概 述 遠紫外 近紫外 可見光 近紅外 遠紅外 極遠紫外 1 10 5 波長 /μ m 光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定 ， 真空中的光速c= 1010cm/s， 通常 c≈3 1010cm/s。傳感器技術(shù) 主講：吳秋寧 第五章 光傳感器 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié) 新型光電傳感器 第五節(jié) 光敏傳感器的應(yīng)用舉例 光傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件 ， 它是把 光信號 （ 紅外 、 可見及紫外光輻射 ） 轉(zhuǎn)變成為電信號的器件 。 光的波長 λ和頻率 ν的關(guān)系為 ν的單位為 Hz， λ的單位為 cm。 氣體放電燈的光譜是 不連續(xù) 的 ， 光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān) 。 發(fā)光二極管 LED（ Light Emitting Diode） 由半導(dǎo)體 PN結(jié)構(gòu)成 ， 其工作電壓低 、 響應(yīng)速度快 、壽命長 、 體積小 、 重量輕 ， 因此獲得了廣泛的應(yīng)用 。 激光器 激光是 20世紀(jì) 60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。 光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng) 。 光子是具有能量的粒子，每個光子的能量： E=hν h— 普朗克常數(shù)， 1034J 02021 Amh ?? ??該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 ?當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率 ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。 導(dǎo)帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價電子所占能帶 Eg 電子能級示意圖 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限 λ0，只有波長小于 λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。 ①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 。 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng) 。 利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件， 一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。 光電管的伏安特性如圖所示 。曲線 1表示 氧銫陰極 光電 管的光照特性，光電流 I與光通量成線性關(guān)系。 保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 國產(chǎn) GD4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。對 紅外光源 ，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于 8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。 光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅 鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的 ， 次陰極多的可達 30級 ；陽極是最后用來收集電子 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽極 第三倍增極 的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 105~106倍。 （ 1）倍增系數(shù) M 倍增系數(shù) M等于 n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù) δ的乘積。一般陽極和陰極之間的電壓為 1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。 光電倍增管的最大靈敏度可達 10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā) ，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的 ， 本底電流 具有 脈沖形式 。 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件 稱 內(nèi)光電效應(yīng)器件 ，常見的有 光敏電阻、光電池 和 光敏晶體管 等。 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體 。 2玻璃窗口 。 6黑色絕緣玻璃 。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號 。 而且體積小 、重量輕 、 性能穩(wěn)定 、 價格便宜 ， 因此應(yīng)用比較廣泛 。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。因此， 在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮 ，才能獲得滿意的效果。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。 （ 7）溫度特性 其性能 (靈敏度、暗電阻 )受溫度的影響較大。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。C 二、光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 。 命名方式： 把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池 (或太陽能電池 )之前。 ?硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長 )，最適宜制造照度計。 光電池的示意圖 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在 540nm附近，適宜測可見光。由于光電池 PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措