文档介绍：第十章光电传感器
本章学****光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用,掌握光电开关及光电断续器的使用方法。
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1905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,并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。
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用光照射某一物体,可以看作物体受到一连串具有能量(每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ,即E=hγ)的光子的轰击,组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。
由于被光照射的物体材料不同,所产生的光电效应也不同,通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为:
外光电效应
内光电效应
光生伏特效应
第一节光电效应及光电元件
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(一)外光电效应
外光电效应:在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
根据爱因斯坦假设:一个光子的能量只能给一个电子,要使电子逸出物体表面,需对其做功W,以克服物体对电子的约束, W称为逸出功。设电子质量为m,逸出物体表面时的速度为υ,则电子的动能为mυ2/2。按照能量守恒与转换定律:
E=h f=mυ2/2 + W 爱因斯坦光电效应方程
1、爱因斯坦光电效应方程
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,取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这就是说,每种物体都有相对应的光频阈值,称为红限频率,用f0表示。 f0=W/h
若入射光的频率小于红限频率,光子的能量不足以使物体内的电子逸出,因此小于红限频率的入射光,光再强也不会产生光电效应。反之,若入射光的频率高于红限频率,即使光强微弱,也会使照射的物体有光电子发射出来。
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E=hγ=mυ2/2 +A
,产生的光电流与光强度成正比。光愈强,意味着入射的光子数目越多,逸出的光电子数也就越多。
。对于一定的物质,电子逸出功W是一定的,所以光子的能量hf越大,则电子的初动能越大。
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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
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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。
A
K
A
K
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K为光电阴极,A为光电阳极;D1、D2、D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极),涂有光敏物质。
光电倍增管
光电倍增管的电流是逐级增加的。由于光电倍增管具有放大作用,因此适用做灵敏的弱光探测器。
A
K
D1
D2
工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射;由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射…,这样逐级前进,一直到达阳极A为止。
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(二)内光电效应及器件
1、半导体材料受到光照时,使其导电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应或光(电)导效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。
暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。
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