内光电效应
内光电效应的原理及应用
内光电效应的原理及应用宋泽豹中国地质大学(武汉) 数学与物理学院122121摘要：内光电效应包括光电导效应与光生伏特效应。
光生伏特效应在光纤通信，高能物理，传感检测系统，以及核能医学等方面都有着广泛的应用。
光电导效应主要应用于电子电路，仪器仪表，光电控制，计量分析，光电制导，以及激光外差探测等领域。
本文主要介绍光电导效应与光生伏特效应的原理以及相应的应用。
关键词：内光电效应；硅光电二极管；p-n结；光探测器The Principle and Application of The internal photoelectric effectSONG Ze-bao(School of mathematics and physics ，China University of Geosciences，wuhan 122121)Abstract:The internal photoelectric effect including photoconductive effect and photovoltaic effect.Photovoltage Effect in optical fiber communication, high energy physics, sensing detection system, As well as nuclear medicine has been widely used.Photoconductive effect is mainly used in electronic circuits, instruments and meters, photoelectric control, measurement analysis, photoelectric guidance, as well as the laser heterodyne detection, etc.This paper mainly introduces the principle and application of photoconductive effect and photovoltaic effect.Key words:The photoelectric effect; Silicon photoelectric diode; p-n junction; Light detector1引言随着人类对新技术的不断掌握和利用，对光能的研究也进入了一个新的阶段。
什么是内外光电效应及区别
什么是内外光电效应及区别
外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子。
利用光电子发射材料可以制成各种光电器件。
光电倍增管（Phot omultiplier Tube）是一种建立在外光电效应、二次电子效应和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的真空光电发射器件。
内光电效应：现代很多光电探测器都是基于内光电效应，其中光激载流子（电子和空穴）保留在材料内部。
最重要的内光电效应是光电导，本征光电导体吸收一个光子，就会从价带激发到导带，产生一个自由电子，同时在价带产生一个空穴。
对材料施加的电场导致了电子和空穴都通过材料传输，并随
之在探测器的电路中产生电流。
基于内光电效应的探测器有光电导探测器，光伏探测器等等。
光电效应
1 2
（1-87）
抛物线关系。 进行微分得
1 1 bd e,2 dg q d e, 3 2 h K l f
1 2
（1-88）
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
补充例题：倘若已知光生伏特器件的光电流分 别： I Φ1=300mA ，I Φ2=100mA ,且 IΦ >> ID ，测得开路 电压为： 求开路电压 UOC1= ？设T=300K UOC2=520mV，
解：因为 IΦ >> ID 所以 U OC
KT I ln( 1) q ID
可以写成： U OC
3. 丹培（Dember）效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分 被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高 密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成
浓度差。
这种由于载流子迁
移率的差别产生受
照面与遮光面之间 的伏特现象称为丹 培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
光电效应。
外光电效应中光电能量转换的基本关系为
1 2 h mv0 Eth 2
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
（1-99）
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上
的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示，
U OC
KT I ln( 1) q ID
（1-91）
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
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。
光电的名词解释
光电的名词解释光电是指光和电之间的相互作用及其相关的技术领域。
它以光为能量源，利用光电效应和其他光电物理现象实现能量转换、信号传输和信息处理等功能。
光电技术广泛应用于光电传感、光电器件、光电材料和光电系统等领域。
一、光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，物质中的电子被光激发而跃迁到导电状态或导电能级的现象。
它是光电技术的基础和核心。
光电效应包括外光电效应、内光电效应和热电效应等。
外光电效应是指光照射到金属或半导体表面时，物质中的自由电子被光子激发，从而跃迁到导电带或导电状态。
这种效应产生的电流被称为光电流，是光电器件的基本原理。
内光电效应是指光照射到半导体内部时，光子激发了半导体内的电子-空穴对，使其发生移动。
这种效应被广泛应用于光伏发电、光电导和光电探测等领域。
热电效应是指光照射到物质表面时，使得物质发生温度变化，从而导致物质内部电荷分布不均匀。
这种效应为热释电器件和热成像技术的基础。
二、光电器件光电器件是基于光电效应原理制造的用于光电转换的装置。
常见的光电器件包括光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电晶体管、光电场效应管和光电导等。
光敏电阻是一种电阻值随光照强度变化的器件，常用于光控开关、光敏电路和自动光亮度调节等应用。
光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
其工作原理是光照射到二极管P-N结上时，电子被光激发到导电带，形成电流。
光电三极管是集光电二极管和普通三极管功能于一体的器件。
它具有光电二极管的光探测功能和普通三极管的放大功能。
光电晶体管是能够放大光信号的器件，适用于光电放大电路和光电探测器等领域。
光电场效应管是以光电效应为基础，采用场效应管结构制造而成的光电器件，适用于高速光电转换和光电开关等应用。
光电导是利用光电效应将光信号转换为电信号，并通过导线传输的装置。
它适用于长距离信号传输和高速通信等领域。
三、光电材料光电材料是指能够发生光电效应的物质。
光电材料的特性和性能直接影响着光电器件的性能。
光电效应
光电效应科技名词定义中文名称：光电效应英文名称：photoelectric effect定义1：物质由于吸收光子而产生电的现象。
所属学科：电力(一级学科) ；通论(二级学科)定义2：物质在光的作用下发射电子或电导率改变，或者两种材料的界面上产生电势的现象。
所属学科：机械工程(一级学科) ；工业自动化仪表与系统(二级学科) ；机械量测量仪表-机械量测量仪表一般名词(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布目录[隐藏]英文名称光电效应概述理论发展历史光电效应的分类英文名称光电效应概述理论发展历史光电效应的分类[编辑本段]英文名称光电效应∶Photoelectric effect[编辑本段]光电效应概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。
金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，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，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
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。
还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。
可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.光电效应说明了光具有粒子性。
光电导器件(光敏电阻)
： 照度（勒克斯lx）
电导（西门子S）
定义为光电导 与输入光照度E之比。
光电导灵敏度 （P107）
热噪声、产生复合噪声 、 噪声与调制频率的关系如下所示：
01
02
03
04
噪声特性：
红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的
制冷可降低热噪声
恰当的偏置电路，可使信噪比最大
光谱特性：相对灵敏度与波长的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
原理：
5-1工作原理和结构
非本征型（N型为主）：可以检测波长很长的辐射
本征型：可用来检测可见光和近红外辐射
结构： 组成：它由一块涂在绝缘 基底上的光电导材料薄膜 和两端接有两个引线，封 装在带有窗口的金属或塑 料外壳内 。电极和光电导 体之间呈欧姆接触。
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。
进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应
光电导弛豫时间长
由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗
不足：
ห้องสมุดไป่ตู้
5-3 常用光敏电阻（P109）
参数
功率（mw）
测量照度
暗电阻（兆欧）
亮电阻（千欧）
峰值波长
内光电效应概述
内光电效应概述应物本09级一班陈开忠 20092312567光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。
光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。
这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的。
1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs)证实是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故。
1899年，J·J·汤姆孙通过实验证实该荷电体与阴极射线一样是电子流。
1899—1902年间，勒纳德（P·Lenard）对光电效应进行了系统研究，并命名为光电效应。
1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。
1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论。
1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。
光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，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，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
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。
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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：（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
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。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即
式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
材料的光导性能决定于禁带宽度，
对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
（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。
①势垒效应（结光电效应）。
接触的半导体和PN 结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。
以PN 结为例，光线照射PN 结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N 区外侧，被光激发的空穴移向P 区外侧，从而使P 区带正电，N 区带负电，形成光电动势。
②侧向光电效应。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。
当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照。