光电效应和光电器件
什么是光电效应介绍光电效应的应用
什么是光电效应介绍光电效应的应用知识点：什么是光电效应及其应用光电效应是物质在光照射下发生的一种物理现象。
当光子（光的粒子）的能量大于或等于物质表面电子所需的最小能量时，电子会被激发并从物质表面逸出。
这个现象被称为光电效应。
光电效应的基本原理可以归结为以下几个关键点：1.光的波动性：光电效应揭示了光的粒子性。
光既可以看作波动，也可以看作由光子组成的粒子流。
2.光子能量：光子的能量与其频率成正比，与光的强度无关。
当光子的能量大于或等于电子的逸出功时，光电效应会发生。
3.逸出功：逸出功是指电子从物质表面逸出所需的最小能量。
不同物质的逸出功不同，因此对光的敏感度也不同。
4.光电效应方程：爱因斯坦提出了光电效应方程，描述了光子能量、电子逸出功和电子动能之间的关系。
方程为E = hν - W，其中 E 表示电子的动能，h 表示普朗克常数，ν 表示光的频率，W 表示逸出功。
光电效应的应用非常广泛，以下是一些重要的应用领域：1.太阳能电池：太阳能电池利用光电效应将光能转换为电能，为人类提供了清洁、可再生能源。
2.光电器件：光电器件如光敏电阻、光敏二极管等，利用光电效应实现光信号与电信号的转换。
3.激光技术：激光是一种特殊的光，具有高度的相干性和方向性。
激光技术在医疗、通信、测量等领域发挥着重要作用。
4.光电探测器：光电探测器可以将光信号转换为电信号，广泛应用于光电通信、天文观测等领域。
5.光电子计算机：光电子计算机利用光信号进行信息处理和传输，具有高速、大容量、低能耗等优点。
6.光电效应在科学研究中的应用：光电效应不仅在物理学领域具有重要意义，还广泛应用于化学、生物学、材料科学等领域的研究。
了解光电效应及其应用，有助于我们深入理解光的性质，以及光与物质相互作用的机理。
这些知识对于培养学生的科学素养和创新能力具有重要意义。
习题及方法：1.习题：一束光照射到某种金属上，如果光的频率为5×10^14 Hz，该金属的逸出功为2.3 eV，求该束光的最大光电子动能。
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
光电式工作原理
光电式工作原理
光电式工作原理是一种利用光电效应将光能转化为电能的技术。
光电效应是指当光线照射到特定物质表面时，会引发电子的跃迁，使电子从原子或分子的价带跃迁到导带中，从而产生电流。
这一现象是由光子与物质之间相互作用的结果。
光电式设备的基本工作原理是利用光电效应产生电流。
在一个光电式设备中，通常有两个关键组件：光源和光电材料。
光源可以是太阳光、人工光源或其他产生光线的装置。
而光电材料常用的有硅、镓砷化镓等半导体材料。
当光线照射到光电材料表面时，光子与光电材料中的原子或分子相互作用，将光能转移到光电材料中的电子上。
如果光子的能量大于光电材料中的电子束缚能量，那么电子可能会跃迁到导带中。
一旦电子跃迁到导带中，它们就可以自由移动，并形成电流。
通过将光电材料与电路连接起来，可以采集、传输和利用这种电流。
常见的光电式设备包括太阳能电池板、光电二极管（光电开关）、光电倍增管等。
这些设备可以将光能转化为电能，广泛应用于能源领域、通信领域、传感器技术等多个领域。
总的来说，光电式设备的工作原理是通过光电效应将光能转化为电能。
它的核心是光电材料，通过光线照射激发光电材料中的电子，形成电流。
这种原理被广泛应用于各种光电器件中，推动了现代科技的发展。
第7讲 光电效应和光电器件
100
50 0 1
20
40 U/V
思考：我们为了得到更大的光电流，能否无限 增大电压？
光敏电阻的特性5-频率特性
I / %
100 硫化铅
80
60 40 20 0 10
硫化镉
•思考：光敏电阻能否 用在要求快速响应的场 合？
102 103
104 f / Hz
光敏电阻的特性6-稳定性
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子 受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其 由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内 的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变 大。
自由电子所占能带
导带
Eg
禁带 价带
不存在电子所占能带
价电子所占能带
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。 基于该效应的光电 器件有光电池和光敏 二极管、三极管。
阳极
光电阴极
光电倍增管示意图
光敏电阻外形
光敏电阻的演示
观察：光电 流有什么变 化？
暗电流（越小越好）
光敏电阻的结构
玻璃 光电导层 电极 绝缘衬底 金属壳 黑色绝缘玻璃 引线
光导体
电极
光敏电阻结构
光敏电阻的电极
光敏电阻的工作原理
导带 Eg
自由电子所占能带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
禁带
价带
I / %
160
120 80 40 0 400 800 1200 1600 T/h 2
•最后达到一个稳定值 后就不再变了。这就是 光敏电阻的主要优点。
1
光敏电阻的特性7-温度特性
I / μA
光电器件分类(一)
光电器件分类(一)光电器件分类光电器件的定义光电器件是利用光电效应或光致变化的物理机制进行能量转换或信号处理的器件。
光电器件的分类光电器件广泛应用于光电通信、光电显示、光电探测等领域。
根据其工作原理和应用特点，光电器件可以分为以下几类：1.光电转换器件这类器件主要用于将光信号转换为电信号或反之。
常见的光电转换器件包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
其中，光电二极管是将光信号转换为电压信号的重要器件，通常用于光电探测、光电通信等领域。
光敏电阻则是根据光照强度的变化来改变电阻值，常用于自动光控、测光仪器等设备。
2.光电显示器件光电显示器件主要用于将电信号转换为可见光信号，实现图像或文字的显示。
最常见的光电显示器件就是LED（发光二极管），其利用电流通过半导体材料产生发光效应，具有高亮度、低能耗等特点。
此外，还有LCD（液晶显示器）、OLED（有机发光二极管）等光电显示器件。
3.光电探测器件光电探测器件主要用于检测、测量或接收光信号。
光电探测器件的广泛应用包括光通信、光谱分析、光电测量等。
常见的光电探测器件有光电二极管、光电三极管、光电二级管阵列等。
光电二级管阵列常用于 CCD（电荷耦合器件）摄像仪、光电测量仪器等。
4.光电励磁器件光电励磁器件是指利用光信号对材料进行励磁或改变材料的磁性。
这类器件具有控制灵活、响应速度快等特点，常用于光存储器、光纤记忆等领域。
5.光电传感器件光电传感器件是指利用光信号进行物理量、化学量等的测量和检测。
这类器件广泛应用于环境监测、生物医药、食品安全等领域。
其中，光电传感器件可以根据测量物理量的不同分为光电温度传感器、光电湿度传感器、光电压力传感器等。
以上是对光电器件的简要分类说明，随着科技的不断发展，光电器件将会在更多领域得到广泛应用，并且随着新的光电器件的研发与应用，其分类也将进一步扩展和细分。
41 光电效应和光电器件精讲
（2）光谱特性
可见，当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降，这是因为光子能 量太小，不足以激发电子-空穴对。当入射光波长缩小时，相对灵敏 度也要下降，这是因为光子在半导体表面附近就被吸收，投入深度小， 在表面激发的电子-空穴对不能到达PN结。光敏二极管和光敏晶体管 对入射光的波长有一个响应范围。如锗管的响应范围在0.6m～1.8m 波长附近；而硅管的响应范围在0.4m～1.2m波长附近。
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（2）光照特性
指在外加一定电压时，光敏电阻的光电流与光强之间的关系 。可见，曲线非线性，故光敏电阻不宜做测量元件，而常在自动 控制中用做光电开关。
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（3）光谱特性
指在外加一定电压时，输出电流与入射光波长之间的关系。可见， 不同材料制造的光敏电阻其光谱特性差别很大，某种材料制造的光 敏电阻只对某一波长的入射光具有最高的灵敏度。故在选用光敏电 阻时要考虑光源的波长，以得到满意效果。
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3．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性
（3）光谱特性
（4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
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（1）伏安特性
指在一定的光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间 的关系。可见，在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就 越大；在一定光照度下，所加电压越大，光电流越大，且没有饱 和现象。但不能无限制地提高电压，在使用时光敏电阻受耗散功 率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允 许功耗曲线，由它可确定光敏电阻的正常工作电压。
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。
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光敏电阻具有灵敏度高，可靠性好及光谱特性好，精度高、体积 小、性能稳定、价格低廉等特点，广泛用于光探测和光自控领域，如： 照相机、验钞机、石英钟及各种光控动物玩具，光控灯饰等。
光电效应的研究与光电器件的应用
光电效应的研究与光电器件的应用近代物理学领域中，光电效应是一项十分重要的研究课题。
它的研究不仅深化了对光子的理解，而且带来了众多光电器件的应用。
本文将对光电效应的研究、机制以及光电器件的应用进行论述。
一、光电效应的研究光电效应是指当光照射到金属或其他特定材料表面时，会引起电子的发射。
光电效应的研究始于19世纪末，但最为重要的突破是爱因斯坦在1905年提出的光的粒子性理论。
他认为光在特定条件下可被看作由粒子组成的光子，光子能量与光波的频率成正比。
根据其理论，光照射到金属表面时，光子将传递能量给电子，当光子的能量大于或等于金属中某个电子的束缚能时，这个电子将脱离原子束缚，导致光电子的发射。
在光电效应的研究中，实验结果显示，光电子的发射不仅与光的强度相关，还与光的频率有关。
当光频率低于某个特定值时，即使光强度很大，也无法引起光电子的发射。
这一频率被称为截止频率，与材料的性质有关。
通过测量截止频率与材料类型、光子能级等参数的关系，科学家们得以深入研究光电效应的机制。
二、光电效应的机制光电效应涉及到能带结构、电子与光子的相互作用等复杂的物理过程。
在晶体材料中，能带结构对光电效应起着重要的影响。
晶体材料的能带结构决定了电子的分布状态与运动规律。
在光电效应的过程中，当光照射到金属或半导体表面时，能量较高的光子被吸收，而光子的能量转化为电子的动能。
如果光子的能量大于或等于电子的束缚能，那么电子将克服束缚力逃离原子或晶体，并形成光电子。
光电子对于不同波长的光有最大的发射速率，这一波长与光子的能量相对应，符合爱因斯坦的光电效应理论。
三、光电器件的应用光电效应的深入研究为光电器件的发展提供了重要的理论基础。
在现代科学技术中，许多光电器件被广泛应用于通讯、能源、医学等领域。
1. 光电池：光电池利用光电效应，将光能转化为电能。
光电池的应用包括太阳能发电、电力站的备用电源以及空间探测器的能源供应等。
2. 光电传感器：光电传感器能够将光的变化转化为电信号，并进行测量、控制等用途。
光电传感器
光敏电阻
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溶液浓度检测系统
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（三）光生伏特效应及器件（阻挡层光电效应） 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现
象。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。 器件：以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型
器件。 其余的如光电二级管、光敏晶体管等属于这类光电
器件。
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调制型光电开关原理
光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电 流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电 元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯 片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可 减小发射LED的功耗。
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6、光电断续器
遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准 的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑 料壳体中，分别位于U型槽的两边。当被检测物体经过U型 槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信 号。
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2、外光电元件
紫外管
当入射紫外线 照射在紫外管阴极 板上时，电子克服 金属表面对它的束 缚而逸出金属表面， 形成电子发射。紫 外管多用于紫外线 测量、火焰监测等。
紫外线
4
光电管 光电管的阴极受到
从光窗透进的光照射 后，向真空发射光电 子，这些光电子向阳 极作加速运动，形成 空间电子流，光电流 的数值取决于阴极的 灵敏度与光强。停止 光照，外电路将无电 流输出。
光电池
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2、光电二极管
➢工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏
置状态， • 无光照时，反向电阻很大，
反向电流很小； • 有光照时，PN结处产生光生
电子空穴对； • 在电场作用下形成光电流，
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真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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7．1．2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
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梳 状 电 极
半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。
灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定
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光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极
阳极
倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并 且电位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起 二次电子发射
二次电子发射系数 σ =二次发射电子树／入射电子数
若倍增极有n，则倍增率为σn
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7．1．3 光敏电阻
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性
可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
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（2）伏安特性
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
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（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
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（4）温度特性
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
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（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
光电效应和光电器件
7.1.1 光电管 7.1.2 光电倍增管 7.1.3 光敏电阻 7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 7.1.5 光电池 7.1.6 光电式传感器的应用
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7．1．1 光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，
电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
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光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间， 所以它们的频率特性也就不尽相同。
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（5）温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时， 它的暗电阻和灵敏度都下降。
温度系数:
R2 R1 100 %C 1
(T2 T1 )R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
1. 光敏电阻的工作原理及结构 2．光敏电阻的主要参数 3．光敏电阻的基本特性
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1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
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光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线
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光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
暗电流（越小越好）
3．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
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（1）伏安特性
由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
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（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
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（4）响应时间和频率特性
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于 光的变化，在时间上有一个滞后。
通常用响应时间t表示。
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
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（2）光照特性
光敏电阻的光电流与光强之间的关系
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2． 光敏电阻的主要参数
（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时 间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电 流，称为暗电流。 （2）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，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。
硫化镉光敏电阻的温度特性
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温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
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7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
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1． 工作原理
7.1 光电效应和光电器件
外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光 电管、光电倍增管
内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电 阻、光敏晶体管等属于这类光电器件。
阻挡层光电效应(光生伏特效应): 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现 象。如光电池
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结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
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光敏二极管
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光敏二极管
将光敏二极管 的PN 结设置在透 明管壳顶部的正下 方，光照射到光敏 二极管的PN结时， 电子-空穴对数量增 加，光电流与照度 成正比。
光敏二极管外形
光敏二极管阵列
包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。
红外发射、接收对管外形
红外发射管
红外接收管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
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光敏三极管外形
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
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（1）光谱特性