光电效应及光电元器件
10.1光电效应及光电元件
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内光电） 2、光敏二极管 （内光电）
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方， 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子 空穴 结时， 结时 电子-空穴 对数量增加， 对数量增加，光电流 与照度成正比。 与照度成正比。
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光敏二极管的反向偏置接法 光敏二极管的反向偏置接法
第十章
光电传感器
本章学习光电效应、光电元件 本章学习光电效应、 的结构、工作原理、特性以及光电 的结构、工作原理、 传感器的各种应用， 传感器的各种应用，掌握光电开关 及光电断续器的使用方法。 及光电断续器的使用方法。
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1905年德国物 年德国物 理学家爱因斯坦用 光量子学说解释了 光电发射效应， 光电发射效应，并 为此而获得1921年 为此而获得 年 诺贝尔物理学奖。 诺贝尔物理学奖。
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光电池的光电特性
开路电压为 对数特性
短路电流为 线性特性
一个典型的硅光电池的光电特性 一个典型的硅光电池的光电特性 1—开路电压曲线 开路电压曲线 2—短路电流曲线 短路电流曲线
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当负载短路时， 当负载短路时，光电流在很大范围内与照 度成线性关系。 度成线性关系。当希望光电池的输出与光 照度成正比时， 照度成正比时，应把光电池作为电流源来 使用；当被测非电量是开关量时， 使用；当被测非电量是开关量时，可以把 光电池作为电压源来使用。 光电池作为电压源来使用。 提问：如果要得到 的输出电压， 提问：如果要得到1.5V的输出电压，提 的输出电压 供给液晶计算器使用， 供给液晶计算器使用，必须将几块光电池 串联/并联起来 并联起来？ 串联 并联起来？
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
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
6.1 光电效应和光电器件
4.温度特性
指暗电流及亮电流与 温度的关系。
温度变化对光敏晶体 管的亮电流影响不大， 但对暗电流的影响非 常大，并且是非线性 的，将给微光测量带 来误差。
图6.12 光敏晶体管的温度特性 1—亮电流 2—暗电流
6.1 光电效应和光电器件
5.响应时间 工业用的硅光敏二极管的响应时间为
10-5～10-7S 左右，光敏三极管的响应时 间比二极管约慢一个数量级，因此在要 求快速响应或入射光、调制光频率较高 时应选用光敏二极管。
6.1 光电效应和光电器件
2.内光电效应 在光线照射下，物体内的电子不能逸
出物体表面，而使物体的电导率发生变 化或产生光生电动势的效应称为内光电 效应。
基于内光电效应的光电元件有光敏电 阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶 闸管等 。
6.1 光电效应和光电器件
3．光生伏特效应 在光线作用下，使物体产生一定方向
6.1 光电效应和光电器件
（a）
（b）
（a）光敏电阻的结构
（b）光敏电阻图形符号
图 6.4 光敏电阻
1—梳状电极 2—光导体 3—透光窗口 4—外壳
5—绝缘基体 6—黑色玻璃支柱 7—引脚
6.1 光电效应和光电器件
(2) ①暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称
为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 ②亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为
件组装在同一管壳中，且两者的管芯相 对，除光路外二者完全隔离。在工作时， 电信号加在输入端，使发光元件发光， 同一管芯中的光敏元件接收到这种光辐 射后输出电流，实现了电—光—电的两 次转换。
6.1 光电效应和光电器件
(a) 光电耦合器结构 （b）光电耦合器符号 图 6.17 光电耦合器
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
简述光电效应以及对应的光电元件类型
简述光电效应以及对应的光电元件类型光电效应，这个名字听起来有点高深对吧？但其实就是光照到某些物质上，会引发电流的现象。
简单来说，当光子（光的粒子）打到某些金属表面时，它们就会把这些金属表面的电子“踢出去”，这些被“踢出”的电子我们就叫它们光电子。
而这些光电子一旦脱离了原来的位置，它们就会在电路中流动，形成电流。
看，挺神奇的对吧？这也算是自然界的一种“魔法”，不过它是基于物理原理的。
要是你有点化学、物理的基础，那就会知道，光电效应是量子力学的一个重要现象，早在1905年，爱因斯坦就靠它拿到了诺贝尔奖。
所以，光电效应不仅是科学界的一个“重磅炸弹”，它也为我们今天的光电技术打下了基础。
说到这里，光电效应对于我们生活中的很多科技都起了重要作用。
比如，大家常见的太阳能板，实际上就是利用了光电效应把太阳光转化为电能的。
别看它们现在长得都很时尚，其实太阳能板的工作原理，就是让阳光中的光子撞击上面的一些材料，把这些材料里的电子打出来，接着这些电子就会流动，形成电流。
这不就是光电效应的直接应用嘛！好家伙，这不就是让太阳为我们“发电”吗？不过，太阳能板在不同的地方、不同的天气下效率差别还挺大的，像北极那种永远也见不到太阳的地方，你让它工作就有点为难了。
除了太阳能，光电效应还在很多地方悄悄地发挥着作用。
比如你家里常见的光电开关。
没错，就是那种你手上沾了点油渍或者老远按不着的开关，它会通过探测光的变化来自动开关。
像是晚上，门口有灯亮起来，光照强度变化了，光电元件感知到这种变化，马上启动开关，电灯就自动亮了。
整个过程，根本不需要你动手，真是懒人福音。
光电开关的原理也正是利用了光电效应——光照强度的变化会直接影响到电流，从而实现自动控制。
像这种家居神器，简直让人觉得“科技感十足”。
不过，光电效应不仅仅是为了给我们照亮家里、让太阳发电这么简单。
它在一些高科技领域也有巨大的用途。
比如，大家常见的光电元件，有个非常炫酷的叫光电二极管。
光电效应和光电器件
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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。
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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。
G KU
式中：
N d
K
N
—— 常数 —— 光电倍增管倍增极数
光电式传感器 光电器件 （2）光电倍增管
增益变化为：
传感器原理及应用
G / G N (U d / U d )
上式可见，外加电压Ud的变化引起光电倍增管增 益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电 压要求较高，必须有极好的稳定性。 另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探 测技术中“稳谱”是一个重要内容，与光电倍增 管的指标、参数密切相关。
光电式传感器
概述
传感器原理及应用
门禁
光 电 鼠 标
指纹锁
光电式传感器
概述
传感器原理及应用
光电开关
料 位 自 动 控 制
光电式传感器
概述
传感器原理及应用
光纤
光电管
光栅
光敏电阻
光电式传感器
光电效应
传感器原理及应用
传统的光敏器件利用各种光电效应， 光电效应可分为：
外光电效应 内光电效应 光电导效应
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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
各种光电效应对应的光电元件
各种光电效应对应的光电元件
1. 外光电效应：当金属表面受到光照射时，会有电子从金属表面逸出，这种现象被称为外光电效应。
基于外光电效应的光电元件有光电管和光电倍增管等，常用于光电子学和光电探测领域。
2. 内光电效应：当光照射到半导体材料时，会在材料内部产生电子-空穴对，这种现象被称为内光电效应。
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等，常用于光控开关、光电传感器等领域。
3. 光伏效应：当光照射到 p-n 结型半导体时，会在结区产生电动势，这种现象被称为光伏效应。
基于光伏效应的光电元件有太阳能电池，常用于太阳能发电领域。
4. 光热效应：当光照射到某些材料时，会使材料的温度升高，从而引起材料的电阻变化，这种现象被称为光热效应。
基于光热效应的光电元件有热敏电阻、热电偶等，常用于温度测量和控制领域。
5. 光电导效应：当光照射到半导体材料时，会使材料的电导率发生变化，这种现象被称为光电导效应。
基于光电导效应的光电元件有光敏电阻等，常用于光探测器和光学仪器中。
这些光电元件在不同的领域都有广泛的应用，如光通信、光探测、光学仪器、太阳能利用等。
随着科技的不断发展，光电元件的性能和应用领域还在不断拓展和提升。
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。
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内光电效应 光生伏特效应
☆ 外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。
☆ 光电导效应：在光线作用下物体的电阻率改变。
☆ 光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。
公开课：光电效应及光电元器件
二、常用光电元器件
作用：光信号转换为电信号
物理基础：光电效应
公开课：光电效应及光电元器件
1、光敏电阻
外形图
公开课：光电效应及光电元器件
小结：
1、光电效应定义、现象、分类 2、几种光电元器件工作原理
作业：P79页 1、2
公开课：光电效应及光电元器件
思考：
光敏二极管与普通二极管的区别
工作原理：当周围光线变弱时引起光敏电阻RG的 阻值 增大 ，使加在电容C上的分压 上升 ，进而使可控 硅的导通角增大，达到 增大 照明灯两端电压的目的。 反之，若周围的光线变 亮 ，则RG的阻值 下降 ，导致 可控硅的导通角 变小 ，照明灯两端电压也同时 下降 ， 使灯光变 变暗 ，从而实现对灯光照度的控制。
公开课：光电效应及光电元器件
新课：光电效应及光电元器件
公开课：光电效应及光电元器件
一、光电效应
1、定义： 当光照射到某一物质上时，物质的电子吸收 光子的能量而发生相应电效应的现象。
2、光电效应具体现象： 电阻率变化、电子逸出、电动势变化
公开课：光电效应及光电元器件
3、分类：
外光电效应 光电导效应
公开课：光电效应及光电元器件
问题1：光在真空中的传播速度？ 问题2：紫外线可见吗？
问题3：生活中，紫外线有什么用处？ 问题4：紫外线为什么能杀死病菌？
公开课：光电效应及光电元器件
原因：紫外线的频率很高。 光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每 一个光子具有一定的能量，光子的能量E＝hf，其 中h为普朗克常数，f为光的频率。因此，光的频率 越高，光子的能量也就越大。 光照射在物体上会产生பைடு நூலகம்系列的物理或化学效 应。例如光合效应、光热效应、光电效应等。光电 传感器的理论基础就是光电效应
工作原理：光敏二极管加上 反向 电压时，当光线 变强时，管子中的反向电流变 大 ，流入到三极管的电 流变 大 ，经过放大，流过继电器J的电流增大 ，继电 器吸合 ，去控制其他器件，反之，光线变 弱 时，管 子中的反向电流变小，继电器 释放 。
公开课：光电效应及光电元器件
3、光电倍增管
光输 阴极 入 外形图
公开课：光电效应及光电元器件
4、光电池
工作原理：基于光生伏特效应 当光照射在PN上时，产生电子--空穴对，在电场的作 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，从而在光电池与PN结平行的两外表而形成电 势差，P区带正电，为光电池的正极，N区带负电，为光电 池的负极。照在PN结上的光强增加，就有更多的空穴流向 P区，更多的电子流向N区，从而光电池两外侧的电势差增 加。
公开课：光电效应及光电元器件
2、光敏二极管
外形图
图形符号
原理图
工作原理： 无光照时，光敏二极管PN结反向截止。 有光照时，光敏二极管PN结附近产生电子— 空穴对，并在外电场作用下，产生电流，使PN结 反向导通，光的照度越强，导通越充分。
公开课：光电效应及光电元器件
应用举例
光敏二极管组 成的开关电路
原理图及图形符号
工作原理：由半导体材料构成，利用光电导效应而工作。 光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子—空穴对增 加，其电阻率变小，电阻值会变小，当光照消失时，电阻 会恢复原值。 光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流 电压，也可以加交流电压工作。
公开课：光电效应及光电元器件
应用举例 光控调光电路
+
+ + + 阳极 + - - - + + + 结构示意图
工作原理：基于外光电效应 当光照射到阴极时，阴极向真空中激发出光电子。光 电子经电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一发射电极 （又称倍增极）。每个光电子在发射电极击出几个电子， 这些电子射向第二发射电极，再经倍增射向第三发射电极， 直到最后一个发射电极。所以，最后射向阳极的电子数目 是很多的，阳极把所有电子收集起来，转变成电压脉冲输 出。