【正文】 表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。 根據能量守恒定理 式中 m— 電子質量； v0— 電子逸出速度。 ?光電子能否產生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 光線頻率低于紅限頻率 ， 光子能量不足以使物體內的電子逸出 ， 因而小于紅限頻率的入射光 ， 光強再大也不會產生光電子發(fā)射；反之 ， 入射光頻率高于紅限頻率 ， 即使光線微弱 ， 也會有光電子射出 。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。根據工作原理的不同，內光電效應分為 光電導效應 和 光生伏特效應 兩類： （ 1） 光電導效應 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應 。 內光電效應 過程： 當光照射到半導體材料上時 ， 價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 ， 并使其由價帶越過禁帶躍入導帶 ， 如圖 ， 使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加 ， 從而使電導率變大 。 式中 ν、 λ分別為入射光的頻率和波長。 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管 、三極管 。 接觸的半導體和 PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢， 這就是結光電效應。 ② 側向光電效應 。當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散?；谠撔墓怆娖骷绨雽w光電位置敏感器件（ PSD）。 一、光電管及其基本特性 光電管的結構示意圖 光 陽極 光電陰極 光窗 1. 結構與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。 （ 1） 光電管的伏安特性 2. 主要性能 在一定的光照射下 ， 對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性 。 它是應用光電傳感器參數的主要依據 。其特性曲線如圖所示。曲線 2為 銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。 光電管的光照特性 25 50 75 100 2 0 Φ/1m IA/ μA 1 （ 3） 光電管光譜特性 由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。 一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率 υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。其紅限 λ0=7000197。它適用于 白光光源 ，因而被廣泛地應用于各種光電式自動檢測儀表中。對 紫外光源 ，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術中，這些光電管可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 二、光電倍增管及其基本特性 當入射光很微弱時 ， 普通光電管產生的光電流很小 ，只有零點幾 μA， 很不容易探測 。 1. 結構和工作原理 由 光陰極 、 次陰極 (倍增電極 )以及 陽極 三部分組成 。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。 如果 n個倍增電極的 δ都相同 ，則 M= 因此 ， 陽極電流 I 為 I = i 如果有波動，倍增系數也要波動，因此 M具有一定的統(tǒng)計漲落。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。而一個光子在陽極上產生的平均電子數叫做光電倍增管的 總靈敏度 。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處 ， 在完全蔽光情況下 ， 出現(xiàn)的電流稱為 本底電流 ， 其值大于暗電流 。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽極電流/ A （ 4） 光電倍增管的光譜特性 光譜特性反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數關系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。 一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。 不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 為實現(xiàn)能級的躍遷 ，入射光的能量必須大于光導體材料的禁帶寬度 Eg， 即 hν= = ≥Eg(eV) 式中 ν和 λ— 入射光的頻率和波長 。 ?ch?? 光敏電阻的結構如圖所示 。 光導體吸收光子而產生的光電效應 ， 只限于光照的表面薄層 ， 雖然產生的載流子也有少數擴散到內部去 ， 但擴散深度有 A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖 光導電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導體 限 ， 因此光電導體一般都做成薄層 。 1光導層 。 3金屬外殼 。 5陶瓷基座 。 7電阻引線 。 這種硫狀電極 ， 由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積 ， 所以提高了光敏電阻的靈敏度 。 CdS光敏電阻的結構和符號 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響 ， 因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中 。 光敏電阻具有 很高的靈敏度 ， 很好的光譜特性 ，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內 。 RG RL E I 2. 光敏電阻的主要參數和基本特性 （ 1）暗電阻、亮電阻、光電流 暗電流： 光敏電阻在室溫條件下 ， 全暗 （ 無光照射 ）后經過一定時間測量的電阻值 ， 稱為暗電阻 。 亮電流： 光敏電阻在某一光照下的阻值 ， 稱為該光照下的亮電阻 。 光電流： 亮電流與暗電流之差 。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 （ 2）光照特性 下圖表示 CdS光敏電阻的光照特性 。 不同類型光敏電阻光照特性不同 ， 但光照特性曲線均呈非線性 。 一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關 。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相對靈敏度 1—— 硫化鎘 2—— 硒化鎘 3—— 硫化鉛 （ 4） 伏安特性 在一定照度下 ， 加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性 。 由曲線可知 ， 在給定偏壓下 ,光照度較大 ， 光電流也越大 。 但是電壓不能無限地增大 ， 因為任何光敏電阻都受額定功率 、 最高工作電壓和額定電流的限制 。 I/ μA （ 5）頻率特性 當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數光敏電阻的 時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合。 初制成的光敏電阻 ， 由于 體內機構工作不穩(wěn)定 ，以及 電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡 ， 所以性能是不夠穩(wěn)定的 。 光敏電阻在開始一段時間的老化過程中 ， 有些樣品阻值上 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800 1200 1600 升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是 無限長 的。 隨著溫度的升高 ， 其暗電阻和靈敏度下降 ， 光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動 。 有時為了提高靈敏度 ， 或為了能夠接收較長波段的輻射 ， 將元件降溫使用 。 I / μA 100 150 200 50 10 30 50 10 30 T / 186。C 20 186。 由于它可把太陽能直接變電能 ， 因此又稱為太陽能電池 。 它有較大面積的 PN結 ， 當光照射在 PN結上時 ，在結的兩端出現(xiàn)電動勢 。 如 ， 硒光電池 、 砷化鎵光電池 、 硅光電池等 。 ?硅光電池價格便宜 ， 轉換效率高 ， 壽命長 ， 適于接受紅外光 。 ?砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高 ， 光譜響應特性則與太陽光譜最吻合 。 因此 ，它在宇宙飛船 、 衛(wèi)星 、 太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的 。 它是在一塊 N型硅片上用擴散的辦法摻入一些 P型雜質 (如硼 )形成 PN結 。 若將 PN結兩端用導線連起來 ， 電路中有電流流過 ， 電流的方向由 P區(qū)流經外電路至 N區(qū) 。 1. 光電池的結構和工作原理 + 光 P N － SiO2 RL (a) 光電池的結構圖 I 光 (b) 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號 、 基本電路及等效電路如圖所示 。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線 2. 基本特性 開路電壓 短路電流 短路電流 短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。 下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。 0 2 4 6 8 10 I/mA L/klx 50Ω 100Ω 1000Ω 5000Ω RL=0 20 40 60 80 100 I / % 1 2 λ/μm (2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。硅光電池應用的范圍 400nm— 1100nm，峰值波長在 850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內應用。 光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系 。 圖示為光電池的頻率響應曲線 。 20 40 60 80 100 0 I / % 1 2 3 4 5 1 2 f / kHz 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 （ 4）溫度特性