第8章光电式传感器
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光电式传感器
-20 ºC 3.0 4.0 λ/μm
21
常用光敏电阻旳性能参数
给出常用国产MG型光敏电阻旳性能参数
表2.5（1）
常用旳光敏电阻器型号有密封型旳MG41、MG42、MG43和非密封型旳MG45（售22价便 宜）。它们旳额定功率均在200mW下列。
② 光敏晶体管
广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电 机转速旳检测、光电读出装置等场合。
根据能量守恒定理
h
1 2
m02
A
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光旳频率（s-1）
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
可见：光电子能否产生，取决于光子旳能量是否不小于该物体旳表面逸出功。
h A
hc A
1.239 A
m
0
即入射光波长不大于波长限
光敏二（三）极管存在一种最佳敏捷度旳峰值波长。当入射光旳波长增长时， 相对敏捷度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光旳 波长缩短时，相对敏捷度也下降，这是因为光子在半导体表面附近就被吸收， 而且在表面激发旳电子空穴对不能到达PN结，因而使相对敏捷度下降。01.239 A Nhomakorabeam
时才干产生外光电效应 6
光电管
光电管是装有光阴极和阳极旳真空玻璃管，其阴极受到合适旳光照后发 射光电子，这些光电子被具有一定电位旳阳极吸引，并在管内形成空间 电子流，称为光电流。 此时若光强增大，轰击阴极旳光子数增多，单位时间内发射旳光电子数 也就增多，光电流变大。 在光电管旳外电路上接合适电阻，电阻上旳电压降将和管内空间电流成 正比，或与照射到光电管阴极上旳光有函数关系，从而实现光电转换。
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，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的现象。
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。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
光电式传感器 光电效应及常用的光电元件 光电发射效应及典型器件
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。
3. 光电倍增管
光电倍增管外形
➢光电倍增管由光阴极、倍增极、阳极组成，其中倍增极通常为12-14级，多的可达 30级。倍增极能在电子轰击下发射出更多“次级电子”，可将阴极的光电流放大几万 至几百万倍，故其灵敏度要比普通光电管高得多。
3. 光电倍增管
光电倍增管工作原理图
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，并利用二次电子释放效应得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极 收集作为信号输出。
2. 光电管
光电管外形
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
3. 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。
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
2. 光电管
➢ 光电管是（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。
4.1.2 光电发射效应及典型器件
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
3. 光电倍增管
光电倍增管外形
➢光电倍增管由光阴极、倍增极、阳极组成，其中倍增极通常为12-14级，多的可达 30级。倍增极能在电子轰击下发射出更多“次级电子”，可将阴极的光电流放大几万 至几百万倍，故其灵敏度要比普通光电管高得多。
3. 光电倍增管
光电倍增管工作原理图
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，并利用二次电子释放效应得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极 收集作为信号输出。
2. 光电管
光电管外形
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
3. 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。
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
2. 光电管
➢ 光电管是（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。
4.1.2 光电发射效应及典型器件
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
8-1
传感器原理与应用——第八章
（3）液体激光器
种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激
光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大
特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效
率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作
用。
传感器原理与应用——第八章
（4）半导体激光器
与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光
+ _ + + _ +
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区， 和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区 里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光 子的放出，因而发光。
传感器原理与应用——第八章
传感器原理与应用——第八章
电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带
宽度（即能量间隙） Eg。所放出的光子能量用 hν表示，
3800 – 4200 7000 – 9000 4500 30 10 45
阳极工 作电压 (V)
30 30 100
暗电流 (A)
3×10-11 8×10-11 8×10-11
环境 温度 (℃)
5 - 35 5 - 35 < 40
传感器原理与应用——第八章
3. 发光二极管（LED——Light Emitting Diode）
构成：由半导体PN结构成。 特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小 、重量轻，因此获得了广泛的应用。
传感器原理与应用——第八章
原理：
+ +
iD
P R
Uφ
-
-
+ + + +
+ + + +
第八章 光电式传感器练习答案
第八章光电式传感器§8-1 真空光电器件作业题1.光电管由一个和一个封装在一个内组成。
它的技术特性主要取决于。
（阴极；阳极；光电阴极材料）2.光电管的光谱特性主要取决于的特性，光电管对入射光的具有选择性，这是因为对入射光的有选择性。
（光电阴极材料；频谱；光电阴极；频谱）3.光电管的伏安特性是指，与的关系。
当阳极电压较小时，光电流随而增加。
到电压以后，光电流，这是因为单位时间内发射的光电子全部被阳极收集了。
（一定光适量照射下；阴极电压；光电流；阳极电压增加；饱和；饱和；发射的光电子）4.光倍增管的结构与基本一样，也是在壳内，安装和，只是在之间再安装几个。
（光电管；玻璃；阳极；阴极；阳极与阴极；倍增级）5.光电倍增管倍增系数大约为数量级，故光电倍增管的极高。
随着的升高，倍增系数也增加。
（106；灵敏度；工作电压）6.当入射光不变时，被照物体在单位时间内与成正比。
（频谱；发射的光电子数；入射光强度）§8-2 光敏元件作业题1.物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的或产生的现象称为。
（电阻率发生变化；光电动势；内光电效应）2.在光线的作用下，半导体的的现象称光电导效应。
（电导率增加）3.光照射使半导体原子中的吸收光子能量激发出的现象，称本征光导效应；光照射使半导体杂质吸收光子能量激发出的现象，称非本征光导效应，它的激发比本征光导效应。
（价电子；自由电子同时产生空穴；自由电子；容易）4.某种半导体能否产生光电效应，决定于照射光的，而光的强度只取决于产生的。
（频率；光子数目的多少）5.光敏电阻是用制成的，极性，是个电阻。
使用时可以加电压，亦可加电压。
不同下电阻值不同，对不同的入射光有的灵敏度。
（光导体；没有；纯；直流；交流；材料；波长；不同）6.将光敏电阻置于室温、条件下，经过一定稳定时间后，测得的阻值称暗电阻；在条件下，测得的阻值称为。
（无光照全暗；光照；亮电阻）7.一定电压作用下，与的关系称为光敏电阻的光电特性。
传感器原理与应用—光电式
(a)原理 图3.83 光平面位置检测器
(b)结构
新型光电器件
二． 三． 四．
固态图像传感器（solid image sensor ） 图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有自扫描功能的摄像器件。
图像传感器从功能上说，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元(称为像元)，并将它们转换成电 信号，然后顺序地输送出去的器件。
致发光光源和激光光源。
一． 光源
光电传感器的组成
1. 热辐射光源 2. 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。 3. 特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，使用
有一定的危险。 4. 气体放电光源 5. 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种原理制成的光源称为气体放
(5) 峰值探测率 (6) 峰值探测率是表征光电器件噪声水平的性能参数。
1
A f
D*
☻ 探测器件的性能常用峰值探测率D*表征，D*值大，
PNE / A f
PNE
噪声等效功率小，光电器件性能好。
A 光敏器件的有效光敏面 积
f 探测系数带宽
光电传感器的组成
二． 光电器件
2.
光电器件的性能参数
(5) 温度特性
新型光电器件
二． 三．
固态图像传感器（ solid image sensor ） 从构造上说，图像传感器是一种小型固态集成元件，其核心是电荷转移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用的是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由阵列式 排列在衬底上的金属-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor，简称MOS)电容器组成，它具有 光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。
第八章 图像信息的光电变换2-1节
序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。
8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。
光电式传感器全解
7.1光电式传感器的基本元件
3.光敏晶体管
光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏
二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向 电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN 结附近，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的 内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。 因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时， 光敏二极管处于导通状态。
7.1光电式传感器的基本元件
4.光电倍增管 光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。
7.2 新型光电器件
7.2.1 CCD
电荷耦合器件(CCD)是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成 电路光电器件，以电荷为信号。它具备光电信号转换、存储、转 移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优 点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、 传真、通信以及工业检测和自动控制系统。
7.3 光栅式传感器
7.3.1 工作原理
光栅式传感器(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行 转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、 辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。
7.3 光栅式传感器
莫尔条纹 : 光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦
7.5 典型应用
6.光电开关 光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，
从而检测物体的有无。
7.5 典型应用
7.多普勒测速装置 当单色光束入射到运动体上某点时，光
波在该点被运动体散射，散射光频 率与入射光频率相比，产生了正比 于物体运动速度的频率变化，称为 多普勒频移。这种现象也称为光学 多普勒效应。多普勒频移不仅与入 射光频率有关，而且还带有运动体 的速度信息。因此，如果能测出多 普勒频移，就可以知道物体运动速 度。
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第8章光电式传感器
8.1 光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主要的部 件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：首 先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示 被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表 示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。
图8-1 光电式传感器的工Fra bibliotek原理第8章 光电式传感器
1 8.1 光电器件 2 8.2 光纤传感器 3 8.3 红外传感器
第8章光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。 ◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特 点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了 广泛的应用。
hv
1 2
mv02
A0
（8-2）
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。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是
否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的
逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值， 成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件， 如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。
8.1 光电器件
2．主要参数
（1）倍增系数M
◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。
如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi ，因n 此，阳极电
流I为：
I i in
◆ M与所加电压有关，一般在10 5 ~108 之间。如果电压有波 动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一 般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增 电极的电压差为50V－100V。
◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的
光电阴极。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
8.1.3 光电倍增管
1．结构与原理
◆光电倍增管也是基于
外光电效应的器件。
由于真空光电管的灵
敏度较低，因此人们
便研制了光电倍增管，
其工作原理如图8-5所
示。
图8-5 光电倍增管的外型和工作原理
第8章光电式传感器
② 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子 浓度梯度将会产生第侧8章向光电光式传电感器效应。
8.1 光电器件
8.1.2 光电管
1．结构与工作原理
◆光电管是外光电效应的器件， 有真空光电管和充气光电管 两类。
◆光电阴极通常是用逸出功小
的光敏材料徐敷在玻璃泡内
壁上做成，其感光面对准光
图8-3 光电管的结构
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
8.1.1 光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。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 ◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光
电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
2．内光电效应 ◆受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电
动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。 ●光电导效应：在光线作用下，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 阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这 种效应的器件有光敏电阻等。
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，第8即章光：电h式v传h感c器1.24Eg
8.1 光电器件
●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生 一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有 光电池和光敏晶体管等。
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。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价 带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：
电子能量E
Eg
导带 禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带
价电子所占能带
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电
的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些
电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子
流，在外电路就产生电流。 第8章光电式传感器
8.1 光电器件
2．主要性能
（1）光电管的伏安特性 ◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的
电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所
示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
第8章光电式传感器
图8-4 光电管的伏安特性
8.1 光电器件
（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和 阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间 的关系为光电管的光照特性。
◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比
称为光电管的灵敏度。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
（3）光电管光谱特性
◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的 红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。
◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0， 并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的 光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率 的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的
平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。
力由下式确定： E hv
式中：
h——普朗克常数，6.626×10 （ 3 4 J∙s）； υ——光的频率（s 1）。第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0 时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一 个电子逸出，则光子能量hυ必须超出逸出功A0，超 过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即
8.1 光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主要的部 件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：首 先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示 被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表 示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。
图8-1 光电式传感器的工Fra bibliotek原理第8章 光电式传感器
1 8.1 光电器件 2 8.2 光纤传感器 3 8.3 红外传感器
第8章光电式传感器
概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。 ◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特 点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了 广泛的应用。
hv
1 2
mv02
A0
（8-2）
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。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是
否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的
逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值， 成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件， 如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。
8.1 光电器件
2．主要参数
（1）倍增系数M
◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。
如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi ，因n 此，阳极电
流I为：
I i in
◆ M与所加电压有关，一般在10 5 ~108 之间。如果电压有波 动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一 般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增 电极的电压差为50V－100V。
◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的
光电阴极。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
8.1.3 光电倍增管
1．结构与原理
◆光电倍增管也是基于
外光电效应的器件。
由于真空光电管的灵
敏度较低，因此人们
便研制了光电倍增管，
其工作原理如图8-5所
示。
图8-5 光电倍增管的外型和工作原理
第8章光电式传感器
② 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子 浓度梯度将会产生第侧8章向光电光式传电感器效应。
8.1 光电器件
8.1.2 光电管
1．结构与工作原理
◆光电管是外光电效应的器件， 有真空光电管和充气光电管 两类。
◆光电阴极通常是用逸出功小
的光敏材料徐敷在玻璃泡内
壁上做成，其感光面对准光
图8-3 光电管的结构
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
8.1.1 光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。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 ◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光
电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
2．内光电效应 ◆受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电
动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。 ●光电导效应：在光线作用下，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 阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这 种效应的器件有光敏电阻等。
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，第8即章光：电h式v传h感c器1.24Eg
8.1 光电器件
●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生 一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有 光电池和光敏晶体管等。
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。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价 带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：
电子能量E
Eg
导带 禁带
价带
自由电子所占能带 不存在电子所占能带
价电子所占能带
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电
的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些
电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子
流，在外电路就产生电流。 第8章光电式传感器
8.1 光电器件
2．主要性能
（1）光电管的伏安特性 ◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的
电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所
示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
第8章光电式传感器
图8-4 光电管的伏安特性
8.1 光电器件
（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和 阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间 的关系为光电管的光照特性。
◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比
称为光电管的灵敏度。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
（3）光电管光谱特性
◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的 红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。
◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0， 并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的 光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率 的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件
（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的
平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。
力由下式确定： E hv
式中：
h——普朗克常数，6.626×10 （ 3 4 J∙s）； υ——光的频率（s 1）。第8章光电式传感器
8.1 光电器件
◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0 时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一 个电子逸出，则光子能量hυ必须超出逸出功A0，超 过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即