28 光电发射效应及典型器件
光电转换效应
光电转换效应光电转换效应是指在光的作用下，电子从物质表面或界面跃迁到空间内，形成电流和电场的现象。
它是光与物质相互作用的一种基本形式，也是光电器件的基础。
光电子发射现象是光电转换效应的最早和最重要的现象之一。
根据经典物理学的理论，当一个金属表面上受到光的照射时，电磁波的能量被吸收，电子吸收能量后就获得了足够的能量从金属表面逸出，形成了光电子。
通过对金属表面的光电发射电流随光强和频率的变化关系的研究，人们发现：随着光频的增加，光电发射电流强度逐渐增加，并且发射电子的动能也随光频的增加而增加；随着光强的增加，光电发射电流强度也相应增加。
而这些结果表明光电发射电流和光的频率和强度有密切关系。
实验结果表明，光电发射的电子能量与金属材料的性质有关，受金属表面的工作函数影响。
金属的工作函数指的是从固体表面取出电子所需的最小能量，它是确定金属能否发生光电子发射的因素之一。
除了光电子发射现象，光电转换效应还包括光电导效应、内照效应、外光效应等。
光电导效应是指光的能量通过外部途径输入半导体材料，使其电导率发生变化的现象。
这种现象被应用于光电场效应管和光电二极管等器件中。
内照效应则是指在材料内部光与物质的相互作用产生电荷和电场，并导致电子的运动和能量传递的现象。
这种效应被应用于太阳能电池、光电探测器等器件中。
外光效应则是指外光作用下产生电流或电压的现象，例如晶体管中的光诱导效应和光控开关中的光控降噪等。
总之，光电转换效应是一种重要的光电效应，它被广泛应用于光电器件、太阳能电池、光照度计、数字相机等领域，对于推动现代电子技术、信息技术和节能环保等方面的发展具有重要意义。
4.1光电效应和光电器件
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件的线性光 电二极管阵列，可用于分光镜。
第4章 光电式传感器原理与应用
(4)温度特性
温度变化对光电流的影响很小，对暗电流 的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行 温度补偿。
第4章 光电式传感器原理与应用
(5)频率特性
100 80 60 40 20 0
相对灵敏度（%）
f(kHZ)
1 10 100
减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。 故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响 应频率比锗管的好。
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏电阻
I RL RG
E
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏电阻的主要参数和基本特性
（1）暗电阻、亮电阻、光电流
暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经 过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压 下流过的电流。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的 亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就 是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度 越高。 实用光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ， 而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之 间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
第4章 光电式传感器原理与应用
外光电效应
光电发射器PPT课件
3
2) 积分灵敏度
在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电
阴极输出电流Ik与入射辐射通量φe之比为光电阴极的积 分灵敏度Se，量纲为mA/W或A/W。
Se
Ik
0
Φe,λd
在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，
光电阴极电流Ik与入射光通量φv之比为光电阴极的白光
灵敏度Sv，量纲为mA/lm。
.
26
5. 伏安特性
1) 阴极伏安特性
当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴 极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极 伏安特性，
图4-6为不同光通量下测得
的阴极伏安特性。从图中可见，
当阴极电压较小时阴极电流Ik 随Uk的增大而增加，直到Uk大 于一定值(几十伏特)后，阴极
Sa
Ia
0
e,λ
d
.
(4-5)
16
2.电流放大倍数（增益）
电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍
增极材料的二次电子发射系数δ有关，而且与光电倍增管的级数 N有关。理想光电倍增管的增益G与电子发射系数δ的关系为
G=δ N
（4-6）
当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集，其收
2）倍增极结构
光电倍增管按倍增极结构可分为聚焦型与非聚焦型
两种。非聚焦型光电倍增管有百叶窗型（图4-4（a））
与盒栅式（图4-4（b））两种结构；聚焦型有瓦片静电
聚焦型（图4-4（c））和圆形鼠笼式（图4-4（d））两
种结构。
.
13
.
14
4.3 光电倍增管的基本特性
1.灵敏度
1)阴极灵敏度
第三章 PMT
② 二次电子发射的过程：
a) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态 （二次电子）； b) 体内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面 运动； c) 到达界面的二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。
要求：二次电子发射系数要大
③ 倍增极材料
I. II. III. IV. 主要是Ag-O-Cs、CsSb，灵敏的光电发射体一般 也是良好的二次电子发射体； 氧化物：MgO、BaO； 合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等； 负电子亲合势材料；
外光电效应发生的条件： h
E
3. 光电效应中有红限存在，即光电发射的
长波限为：
（三）光电发射的基本过程
光电发射大致可分三个过程： 1) 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量， 从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2) 受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程 中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失 去一部分能量。 3) 达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克 服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即 可从表面逸出，形成光电子。
2、电源电压
极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数 δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设 计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。
由
0.7n G (0.2)n U DD （锑化铯倍增极材料）
G (0.025) U
n
n DD
（银镁合金材料）
可以计算出UDD与Ubb， U bb NU DD
S a ,λ
Ia Φe, λ
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
Sa
Ia
0 e, λ d
半导体的光电效应
本征半导体光电导效应图
讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为
为常数时：
用来产生光电效应的光功率:
产生非平衡载流子的光子数：
响应时间：
探测器的主要参数
关于响应时间 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
线性
线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关
v
I
光敏二极管伏安特性
R
P
N
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
1/f噪声
白噪声
f
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
考察其瞬态过程：
光电导效应 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
注意条件：
理想情况
实际情况
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）
02
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点：
光电效应1
光电式传感器
在PN结交界面出N型一侧，剩下一层失掉电子 的带正电的施主原子，P型一侧剩下一层失去空穴的 受主原子，并在二者之间形成内电场，方向由N指向 P。当电场达到一定大小时，电子和空穴不再运动， 稳定下来。
PN结产生光生伏特的原因，就是因为光照在 PN结上时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度， 则载流子吸收光子能量穿过禁带，形成自由电子和 自由空穴。这些自由电子——空穴对在PN结内部电 场作用下向外运动，于是在PN结两侧产生光生电动 势。由于光生电子、空穴在扩散中会复合，因此， 只有PN结的厚度小于扩散长度，才会有电动势产生。 可以利用这一点调节器件的特性。
为响应。反应用电压或电流表示。对可见光常用
的有流明灵敏度和勒克斯灵敏度。流明灵敏度
S1m
光电流（A） 光通量（lm）
光电式传感器
勒克斯灵敏度
S1 x
光电流（A） 受光面照度（lx）
投射到传感器的光通量即使相同,如果光谱能量 分布不同时 ,灵敏度也不同。因此 ,在测定灵敏度时
吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有 关;e为电子电荷量。
光电式传感器
(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此
光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。
为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止
电压与入射光的频率成正比。
光电式传感器
1.2内光电效应
内光电效应分为两类：光电导效应和光生伏特效应。 1. 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导 效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由 于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到 导带，过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴， 致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻 率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量 E0应大于禁带宽度Eg即光的波长应小于某一临界波长λ0。
光电效应总结
1.【光电效应的4个基本实验是什么金属及其化合物在光照射下发射电子，这个现象称为光电效应（photoelectric effect）；从金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron），光电子运动形成光电流（photocurrent）.光电效应是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应.发射出来的电子叫做光电子.光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限频率和极限波长.临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释.光电效应是自然事实，是光与电之间的一种相互作用、是光与物质（金属）之间的相互作用、是光与物质的核外电子之间的相互作用.在光电效应实验中，每种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光多强，都不会有光电子逸出；只有当入射光的频率高于极限频率时，金属才会发射光电子，产生光电效应.光电效应在近代物理的量子论中起着很重要的作用，其在证实光的量子性方面有着重要的地位，光电效应的规律在现代科技及生产领域也有广泛的应用，如利用光电效应制成的光电器件广泛地应用于光电检测、光电控制、电视录像、信息采集与处理等多项现代技术中.普朗克常数是近代物理中一个很重要的常数，它可以用光电效应实验方法来测定.通过本实验可以加深对量子论的理解.自1887年赫兹意外发现光电效应后，一些人陆续对此现象进行了研究，并总结出了四条基本规律.但这些规律无法用电磁学理论解释.1905年爱因斯坦大胆地引用普朗克关于光辐射能量量子化的概念，提出光量子概念，从而成功解释了光电效应的现象.爱因斯坦认为，从一点发出的光，不是以连续形式把能量传播到空间，而是以为能量单位一份一份地向外辐射.叫作光子.此后约十年，密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数.如下图所示，当频率为的光束照射在光电管的阴极K上时，能量为的光子与金属表面的自由电子作用，把能量全部交给这个电子，电子脱离金属表面从而产生光电效应.如果金属K的逸出功为Ws，电子离开金属表面后的初动能为E，则有：此式即为爱因斯坦光电效应方。
第二节 光电效应及器件
光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。
所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。
光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。
一．外光电效应(External photoelectric effect)在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。
根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。
因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表面逸出功A。
各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λo)，称为“红限”。
当入射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于νo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。
红限波长可用下式求得：(8-2)式中. c——光速。
外光电效应从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过10-9s。
基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。
图8.3 光电管图8.4 光电管受光照发射电子光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图8.3与电源连接在管内形成电场。
光电管的阴极受到适当所示。
图8.4阳极通过RL的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。
电阻R上产生的电压降正比于空间电流，其值与L照射在光电管阴极上的光成函数关系。
如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。
由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。
光电倍增管的结构如8.5所示。
在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。
光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。
光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所 以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体 的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电 效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子 所需时间不超过10-9s。
根据能量守恒定理
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
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，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。
典型器件—光电管
➢光电管（phototube）基于外光电效应的基本光 电转换器件。 ➢光电管分为真空光电管和充气光电管。 ➢光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在 内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小 球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气 体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中 与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵 敏度。 ➢光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光 电器件所代替。
光电倍增管工作原理图
光电倍增管外形
光电发射效应及典型器件
梁召峰 副教授
光电发射效应
➢光电发射效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。 ➢发射出来的电子叫做光电子。 ➢光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界 值）时方能发射电子，其临界值即极限频率和极限波长。
光电管外形
典型器件—光电倍增管
➢光电倍增管（photomultiplier）建立在外光电效应、 二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低 噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极 高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件。 ➢当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的 二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收 集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光 电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电 探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。
光电子能否产生，取决于光电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，即每一个物
体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线 频率低于红限频率，光子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。