光敏传感器(教学用)

外光电效应深刻的历史意义：
基于外光电效应， 20世纪初的1909年，爱因斯坦明 确提出,光不仅具有粒子性,而且具有波动性，即:波粒二 象性。最终使人们对光的本质有了全面的了解.
1887年，赫兹发现外光电发射现象；斯托列托夫等 人对金属的光电发射进行了研究。爱因斯坦在此基础上提 出了光的波粒二象性。
第二章
光敏传感器
第一节 外光电效应及器件 第二节 光电导效应及其应用 第三节 光生效应器件
第四节 红外热释电光敏器件 第五节 固态图象传感器 第六节 光纤传感器 第七节 新型传感器
一、光敏传感器的基本概念
对光信号的变化作出迅速反映。
将光信号
转换为
电信号
二、光敏传感器的基本原理
光的波粒二象性
光能
光敏传 感器
电阴极和阳极间加上一定的电压，阴极灵敏度可以表示为：
SK iK
K
iK——阴极电流； φK——照在阴极上的光通量
积分灵敏度S——光电器件对连续辐射光通量的反映程度。 光电器件说明书中列出的积分灵敏度值，都是依据标 准辐射源的辐射来测定的。光电器件类型不同，所用的标 准辐射源也不相同。
所以对于阴极灵敏度。要在其后注明测量所用的光源， 有时还需要标出阴极的蓝光、红光或红外光灵敏度。 阳极灵敏度SA：在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴
充气光电二极管伏安特性曲线
充气光电二极管两端所加 的电压UA一般在0～20V范围内
IA
三、光电倍增管
UA
当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小， 只有零点几μA，很不容易探测。为了提高灵敏度，常用光 电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。
1. 结构和工作原理
阳极A
阴极K
阳极A
阴极K
G f g11 g 2 2 g n n
2、光电倍增管的性能参数
（1）灵敏度
灵敏度是衡量光电倍增管将光辐射转换成电信号能力 的一个重要参数。灵敏度单位：μA/lm。 阴极灵敏度 光电倍增管灵敏度 阳极灵敏度 测量时所用的光源一般为钨丝白织灯。 阴极灵敏度SK：光电阴极本身的积分灵敏度。在测量时给光
极面上光通量的比值。
SA iA
光电倍增管的结构如图所示。它在玻璃管内由光电阴极、 若干个倍增极以及阳极三部分组成。
倍增极多的可达30级；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就 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， 它就能产生很大的光电流。
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦 • 对现物理方面的贡 献，特别是阐明光 电效应的定律
光电效应规律
1.任何一种金属都对应一个极限频率γ0,入射光的 频率只有大于极限频率（γ>γ0）,才能产生光电 效应.
2.光电子的最大初动能mv02/2（v0是电子的逸出速 度）与入射光的强度I无关,只随入射光的频率γ 的增大而增大. 3.当入射光的频率大于极限频率时,在单位时间发 射的光电子数N跟入射光的强度I成正比. 4.光电效应的时间<10-9S.
下面需要介绍一些光学中常用的概念：
（1）光通量Φ：光源向各个方向射出的光功率，也即单 位时间射出的光能量；以Φ表示。单位：流明（lumen， 简：lm） （2）光强I：光源在单位立体角内辐射的光通量，以I表 示。单位：坎德拉（简：cd）
交接球面积 立体角＝ 球半径
1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。
按照光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管 和充气光电二极管两类。
（1）真空光电二极管
玻璃壳内抽成真空。 真空光电二极管的伏安特性曲线
IA/ μA
4 3 2 1 0 20 40 0.11lm
IA UA
当入射光γ>γ0时，可以看出:
0.05lm
0.02lm 60
光通量 /lm
阳极与阴极间的电压UA/V
1cd 1lm 1sr
sr称为：球面度。
（3）光照度E：从光源照射到单位平面积上的光通量， 以E表示。单位：勒克斯（lux，简：lx）
E S
1lx即是指1lm的光通量平均分布在面积为 1m2平面上的明亮度。
光强和光照度都是表示光线强弱、明暗的物理量。
光强是光（自然光源或人工光源）的光通量球面密度； 光照度是指光的光通量的平面密度。
阳极A
阴极K
如上图，在各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低， 从阴极开始．各个倍增极E1,E2,E3,E4(或更多)电位依次升高， 阳极A电位最高。阳极收集电子，外电路形成电流输出。
入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在， 所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这 样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子， 称为“二次电子”。
电能
用光照射光电材料（感应光信号的材料）后，材料本身 的电学性质发生变化。人们可以通过对电信号的测量来了解 光信号的信息。
三、光敏传感器的分类（4类）
1．光电效应传感器
应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物 体上使物体电学性质改变（发射电子或电导率发生变化）的 现象。
光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类： (1)外光电效应 在光照射的作用下，物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件有：光电二极管和光 电倍增管等。
其中：ns——为发射出的二次电子数； np——为打在物体上的电子数。
阳极A
阴极K
若第一个倍增极对光电子的收集效率为f（即收集到的光 电子数与光照产生的光电子数的比率），由n个倍增极，各个 倍增极的二次电子发射系数δ分别为：δ1、δ2、…、δn， 若每个极间的传递效率分别为g1、g2、…、gn，则光电倍增管 的总增益G可表示为：
当一个光量子击中金属表面并与其中一个电子发生作用时，把 它的全部能量都传给了电子，一部分用以克服材料对电子的束缚， 另一部分转化为电子的能量。 h Ee 逸出功即电子逸出物体表 入射光子 电子能量 面所需的最小能量，即金属表 能量 面上的电子从金属中逸出需克 服原子核的引力所做的功。
h Ee
光纤
传输
被检对象 光信号由被检 调制后 信号调制后 的光 光接收器
沿着光纤送到
电信号
接收解调
第一节 外光电效应及器件
一、外光电效应
在光照射下，某些材料中的电子逸出材料表面而产生 光电子发射的现象，称为外光电效应，也称为光电发射现 象。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J· ν—光的频率（s-1） s；
通常人们把检测装臵中发射电子 的极板称为阴极，吸收电子的极板称 为阳极，且将两者封于同一壳内，连 上电极，就成为光电二极管。
光电阴极 光窗
如右图，一般阴极具有一定的几何形状， 用以有效地吸收最大光强（如阴极部分为球 面或半圆筒状）。
阳极
光
为使阳极既能吸收阴极发射的电子，又不妨碍照射到阴 极上的光线，用细金属丝（或棒）做阳极。
光强/cd
（2）若入射光子的能量hγ<hγ0，即λ>λ0，无论光强多大，均无 光电子发射，光电流为0。由此说明光的波长必须小于λ0才能产 生光电子，该波长称为阈波长或极限波长。
0
c
0

hc h 0

1.239 10
4

cm
1.24

m
（3）给光电发射材料加反向电压，以阻止 Il/μA 电子运动到吸收板上，测量出无电子到达 时的电压（即检流计中电流为0）→得到逸 出电子的最大能量，它与所吸收光子的频 率成线性关系。
阳极A
阴极K
如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子， →这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增 极→第一倍增极有多个二次光电子发出→这些电子又轰击第 二倍增极→产生更多的二次电子发出→经过n个倍增极后，电 子数目得到倍增→光电倍增管的放大倍数是很高的。
阳极A
阴极K
ns np
定义：二次电子发射系数——
若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最 大动能为：
Emax 1 2 mv max h h 0 h
2
其中：γ——入射光频率； γ0——光电发射的极限频率； vmax——电子的最大速率。
h Ee 1 2 mvmax h 0
2
所以极限频率γ0=φ/h；
光电发射检测装置
Il/μA
RL
hγ V
光强/cd
检流计测光电流IL
给发射材料上放臵一个电子接收板连成一个光电发射检 测装臵。
测定出逸出电子随光的强度和光的频率变化情况。
可以看出：
Il/μA
（1）当hγ>hγ0时，在足够的外加电压作 用下，若入射光的频率一定时，饱和光电 流Il的大小与光强成正比
入射光光 强越大 光子数 目越多 发射的电子数 目越多 光电流Il 越大
充气光电二极管伏安特性曲线
Iຫໍສະໝຸດ Baidu/μA
IA
UA
0
20
40
60
80
UA/V
真空光电二极管 充气光电二极管
充气光电二极管伏安特性曲线
但充气光电二极管两端所加的电压UA不能过高。 原因: ①阳极电压过大，管子会因自激放电而损坏。
②为了降低阴极受正离子的轰击而产生的损耗，阴 极电流也不能过大，所以阳极电压不能过高。
(2)内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化 ，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发 生于半导体内。 根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效 应和光生伏特效应两类：
2．红外热释电传感器
对光谱中长波（红外线）敏感的器件。 主要利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学 性质发生变化的原理制成。
1 2 mv
2 0
h A0
1 2
光强/c
mv
2 0
eU
0
U
0
eU

0
h A0
h e
0
h e
U
0

A0 e


h e

0
U
a
极限频率
该反向电压与光强无关。
入射光光 强越大 光子数 目越多
但每个光子的 能量不变 逸出的每个光电子的最 大能量保持不变。
二、光电发射二极管
3．固态图像传感器
高度集成的半导体传感器，以电荷转移为核心。 包括：光电信号转换，信号存储和传输、处理的集成光敏传 感器。 具有体积小、重量轻 、功耗小、成本低等优点，可探测 可见光、紫外线、X射线、微光和电子轰击等。 广泛应用与图像识别和传送。
4．光纤传感器
发光管（LED） 激光管（LD）
发射 的光
充气光电二极管伏安特性曲线
IA/μA
IA
UA
真空光电二极管 0 20 40 60 80
UA/V
充气光电二极管
充气光电二极管伏安特性曲线
当入射光γ>γ0时， 可以看出:
起初光电流IA随阴阳极间电压UA的增加而缓慢的增加， 电压UA越高，电流IA增加的越快。 原因：电压UA越高→电子的电场能量越高→碰撞电离数增加→ 气体放大倍数急剧增加→电流IA增加。
真空光电二极管的伏安特性
①随着光通量的增加（光强的增加），产生的光电子数就增多， 所以光电流与光强成正比。
（2）充气光电二极管
光电阴极
光窗
充气光电二极管的结构与真空光电 二极管类似，只是管壳内充有低压惰性 气体（通常是氩气Ar和氖气Ne）
阳极
光
光线通过窗口照射到阴极上产生光电子→阳极电压使 其加速→加速的电子使气体分子电离，形成更多的电子和 离子→这些电子和离子又被加速→与另外的气体分子碰撞 使其电离→产生更多的电子；同时气体电离的正离子又与 阴极碰撞产生光电子→到达阳极的电子数目比真空光电二 极管所产生的电子数目大很多，相当于具有一定的放大倍 数，可达10倍左右。
①同一光强下Ia-Ua曲线 中，在0～20V范围内， 阳极电压增大→光电子 到达阳极的数目也增大 →阳极电流急剧增大。
真空光电二极管的伏安特性
IA/ μA
4 3 2 1 0 20 40 0.11lm 0.05lm 0.02lm 60
光通量 /lm
阳极与阴极间的电压UA/V
①当阳极电压大于20V后， 几乎所有发射电子都已 到达阳极，电压再大， 电流几乎不变，曲线平 坦，此部分称为饱和区。 一般工作电压选择在饱 和区但要尽可能小一些。
光子 爱因斯坦方程 1、爱因斯坦光子假说
1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为 光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光 量子，简称光子。在真空中，光子以光速c 运动。一个频 率为n的光子具有能量e=hγ，其中（普朗克恒量： h=6.63×10-34 J· s）
2 、光电效应的爱因斯坦方程